MEDSUN: un sistema innovativo di fotoprotezione

MEDSUN: un sistema innovativo di fotoprotezione e monitoraggio
su larga scala dell’esposizione ai raggi UV solari
Licitra G.a, Flore F.b, Carpinello S.c, Fabozzi A.d, Gallo P.e, Palazzuoli D.
a
f
ARPAT, STePPAS Dir. Gen., Via N. Porpora 22, 50144 Firenze, Italia, [email protected]
b
FLYBY S.r.l., Via Puini, 97 int. 26, 57128 Livorno, Italia, [email protected]
c
ARPAT, Dip. di Pisa, Via Vittorio Veneto 27, 56100 Pisa, Italia, [email protected]
d
Università di Pisa, Dip. di Fisica, Largo Pontecorvo, 56127 Pisa, Italia, [email protected]
e
ARPAT, Dip. di Pisa, Via Vittorio Veneto 27, 56100 Pisa, Italia, [email protected]
f
ARPAT, Dip. di Pisa, Via Vittorio Veneto 27, 56100 Pisa, Italia, [email protected]
Riassunto
Il monitoraggio dell’esposizione umana alla radiazione solare ultravioletta (UV) e una corretta informazione
sugli effetti dei raggi UV sono problemi sempre più sentiti dalla comunità scientifica e dagli organismi preposti alla
salvaguardia dell’ambiente e alla tutela della salute dei cittadini.
Nel 1992, alla Conferenza delle Nazioni Unite sull’Ambiente e Sviluppo (UNCED), le problematiche riguardanti
gli UV e i loro effetti sono state dichiarate di pertinenza Agenda 21.
All’interno del Progetto Europeo GSE-PROMOTE (PROtocol MOniToring for the GSE on the atmosphere) è
stato sviluppato il servizio MEDSUN: un sistema web based attraverso il quale fornire, in tempo reale,
informazioni ai cittadini dei paesi coinvolti riguardo la fotoprotezione, l’indice UV e il tempo di esposizione sicura
in funzione della località e del fototipo personale. Attraverso l’elaborazione di dati da telerilevamento satellitare,
come la concentrazione di ozono e la copertura nuvolosa, di dati sulla concentrazione degli aerosol atmosferici e
dei valori locali di albedo spettrale valutati sperimentalmente per diversi terreni, è stato determinato, e fornito in
tempo reale, l’Indice UV mediante una procedura basata su un Modello di Trasferimento Radiativo con una
risoluzione di 1 Km. L’intensità di radiazione UV è stata correlata con la dose minima eritemica per ottenere il
tempo di esposizione sicura per i singoli utenti con diverso fototipo.
Nel presente lavoro si presentano i risultati della messa a punto dello spettroradiometro utilizzato per la
caratterizzazione dell’albedo dei diversi terreni, la validazione attraverso misure a terra dei valori di Indice UV
calcolati in base ai dati satellitari e il sistema informativo messo a punto per l’informazione al grande pubblico via
web e SMS.
A) INTRODUZIONE
Negli ultimi decenni si è assistito ad un notevole incremento dell’incidenza di carcinomi cutanei
nella popolazione di pelle chiara, legato a cattivi comportamenti di esposizione al sole dettati anche da
abitudini sociali per le quali un’abbronzatura per tutto l’arco dell’anno è indice di un buono stato di
salute. Si delinea sempre di più la necessità di mettere a punto programmi mirati di educazione ed
informazione della popolazione con sistemi di facile implementazione e utilizzo, anche sfruttando le
capacità delle nuove tecnologie per incoraggiare cambiamenti nello stile di vita, nell’ottica di arrestare
l’incremento di tali patologie.
Allo stesso tempo, si va attribuendo sempre maggiore importanza agli studi volti a caratterizzare la
variazione dell’intensità della radiazione ultravioletta (UV) che raggiunge la superficie terrestre in
funzione dei cambiamenti climatici, anche indotti dalle attività antropiche, per poter monitorare effetti a
breve e lungo termine sulla stessa biosfera. A tal proposito, nel 1992, alla Conferenza delle Nazioni
Unite sull’Ambiente e sviluppo (UNCED), è stato dichiarato di pertinenza Agenda 21 tutto ciò che
potesse riguardare gli UV e i loro effetti, indicando come urgenti sia la ricerca sugli effetti per la salute
dell’uomo dovuti all’aumento dei livelli di radiazione UV causati dallo svuotamento dello strato di
ozono, sia l’individuazione di rimedi efficaci per ridurre tali effetti.
Uno dei limiti delle attuali reti di monitoraggio della radiazione UV risulta essere la necessità di
dislocare un gran numero di centraline sul territorio per avere un quadro più dettagliato possibile della
reale intensità locale della radiazione UV, tenendo conto delle peculiari caratteristiche di variabilità
dovute alle condizioni atmosferiche e del diverso albedo ambientale. Risulta peraltro gravoso, sia in
termini di tempo che di risorse finanziarie, il mantenimento e il controllo di tali reti di monitoraggio.
Il presente lavoro mostra i risultati del sottoprogetto MEDSUN di fotoprotezione e monitoraggio
della radiazione UV su larga scala che utilizza in modo innovativo i dati provenienti da satellite. Il
sottoprogetto MEDSUN, attivo per le coste toscane e siciliane per tutto il mese di Agosto 2005, fa
parte del progetto europeo GSE-PROMOTE (PROtocol MoniToring for the GSE on the atmosphere),
www.gse-promote.org, finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA). PROMOTE intende
implementare e rendere disponibile un sistema operativo sostenibile e di facile utilizzo per supportare
le decisioni in tema di politiche dell’atmosfera riguardo la riduzione dell’ozono atmosferico, la qualità
dell’aria, l’esposizione UV ed i cambiamenti climatici basandosi sulla strumentazione SCIAMACHY a
bordo del satellite ESA ENVISAT e sulla piattaforma OMI del satellite NASA EOS-AURA.
Di seguito sono descritte le procedure di calibrazione e controllo dello spettroradiometro utilizzato
per la misura dei valori di albedo ambientale e il metodo di validazione a terra dei valori di Indice UV
calcolati in base ai dati satellitari.
B) MEDSUN: informazione e divulgazione al grande pubblico
Obiettivo del progetto MEDSUN è stato la messa a punto di un servizio gratuito di fotoprotezione e
informazione al pubblico consultabile via Internet che consentisse agli utenti, dopo averli guidati alla
scoperta del loro fototipo attraverso un semplice questionario, di avere informazioni in tempo reale utili
ad evitare scottature anche lievi. Tali informazioni sono: il tempo di esposizione sicura, il valore
dell’indice UV e il fattore di protezione della crema (SPF) più appropriato. Il questionario è stato messo
a punto dalla Flyby srl, società fornitrice del servizio, in collaborazione con la Clinica Dermatologica
dell’Università Federico II di Napoli [1]. Il servizio è stato fornito in Toscana per alcune località balneari
e non, ed è stato reso disponibile via web e sperimentalmente anche attraverso un sistema di
interrogazione SMS.
Nell’ottica di un utilizzo sempre maggiore di dati satellitari per il monitoraggio ambientale e per
l’informazione al pubblico, i valori dell’Indice UV sono stati calcolati sia in base a dati satellitari forniti
da partners europei nel progetto PROMOTE, sia in base a immagini satellitari acquisite direttamente
da Flyby. I valori calcolati venivano poi validati confrontandoli con i valori misurati da uno
spettroradiometro a terra. In Figura 1 si riporta una parte della schermata che l’utente aveva a
disposizione dopo l’interrogazione del sistema.
Figura 1
Schermata tipo con i parametri di esposizione consigliati all’utente in base al fototipo personale, all’Indice UV
presente nella località, all’ora, al fattore di fotoprotezione e al tipo di terreno circostante.
Si osservi inoltre il fattore protettivo consigliato per lo specifico fototipo.
Per poter fornire un tempo di esposizione sicura il più accurato possibile, si è tenuto conto anche
della quantità di radiazione riflessa sull’utente dalla superficie immediatamente circostante il luogo
prescelto per l’esposizione al sole, cioè si è tenuto conto dell’albedo locale.
C) MATERIALI E METODI: l’apparato sperimentale e il modello predittivo
Per poter caratterizzare l’albedo di alcune superfici tipiche del litorale toscano e tenerne conto nella
stima del tempo di esposizione sicura al sole nelle diverse località scelte dall’utente, è stato impiegato
lo spettroradiometro UV-VIS (modello SpectrAIR, Flyby srl) visualizzato in Figura 2.
Lo spettroradiometro utilizzato può essere schematizzato in tre blocchi: ottica di ingresso, elemento
dispersivo e rivelatore. L’ottica di ingresso consiste in un diffusore piano in teflon compresso dal
diametro di 0.8 cm e in una fibra ottica di 2 m specifica per radiazione UV-VIS in materiale
antisolarizzazione. La fenditura di ingresso è larga 25 µm. L’elemento dispersivo è costituito da un
reticolo olografico concavo compensato per le aberrazioni sferiche da 600 g/mm con lunghezza focale
di circa 8.5 cm. Il rivelatore impiegato è un sensore CCD a 2048 pixel che fornisce in uscita un
numero di conteggi proporzionale all’irradianza spettrale [W/(m2 nm)] incidente su ogni pixel. Lo
spettroradiometro, collegato ad un PC, è gestito mediante software dedicato che permette di regolare
parametri di misura come tempo di integrazione, numero di medie e consente di salvare i dati.
Figura 2
Spettroradiometro Flyby SpectrAIRTM utilizzato per le misure di albedo di diverse superfici.
Come ricordato in [2], la caratterizzazione di uno spettroradiometro avviene in laboratorio sotto ben
definite condizioni ambientali di temperatura, umidità, ecc., condizioni che possono anche essere di
gran lunga diverse da quelle che si possono verificare durante misure di irradianza solare all’aperto. A
tale scopo, nel periodo di utilizzo dello strumento per le misure di albedo, la riproducibilità delle
calibrazioni effettuate è stata verificata ad intervalli regolari.
La procedura di calibrazione prevede due fasi da eseguire nell’ordine indicato: la calibrazione in
lunghezza d’onda e la calibrazione spettrale in irradianza.
La prima procedura è quella che consente di associare ai pixel del sensore CCD il valore
opportuno di λ ottenuto interpolando i pixel in corrispondenza dei quali si hanno i picchi del segnale
emesso dalla lampada di riferimento, che sono forniti con le specifiche della lampada. Per questa fase
è stata impiegata una lampada al mercurio, di proprietà della FlyBy s.r.l., che emette un buon numero
di righe spettrali comprese tra 200 nm ≤ λ ≤ 900 nm. La lampada possiede, inoltre, il vantaggio che
l’incertezza con cui sono note le diverse righe spettrali (± 0.01 nm) è inferiore alla risoluzione dello
spettroradiometro (0.5 nm). L’accuratezza della calibrazione in lunghezza d’onda è un parametro
importante per la conseguente valutazione accurata delle misure di UV solare. Una sua verifica diretta
[3] è stata fatta misurando le righe di assorbimento di Fraunhofer della sorgente sole nelle campagne
di misura svolte per determinare l’albedo di superfici di interesse; gli scarti in lunghezza d’onda
riscontrati comporteranno un errore compreso tra 5-10% nella misura di irradianza solare [2]. È stata
anche determinata la risoluzione spettrale, calcolando la slit function dello strumento [3].
La seconda fase della procedura è la calibrazione in irradianza spettrale assoluta eseguita facendo
uso della lampada calibrata QTH (Quartz Tungsten Halogen) e certificata dal NIST messa a
disposizione della sezione di Biofisica del CNR di Pisa. Tale lampada (modello 63355 Oriel) di 200 W
è alimentata a 30 V e 6.50 A con una variabilità inferiore all’1%; tale stabilità consente di considerare
trascurabile la variabilità di emissione della lampada [2]. Nel manuale di calibrazione fornito dal NIST
insieme alla lampada, sono indicate le condizioni operative per determinare la curva di risposta
spettrale dello spettroradiometro, cioè il rapporto tra i conteggi misurati e l’irradianza spettrale tabulata
dal NIST per la lampada in questione. I valori di riferimento sono fissati a 50 cm e a 25 °C di
temperatura del laboratorio di misura. La curva di risposta così valutata è implementata nel software di
gestione dello strumento e le misure eseguite vengono restituite direttamente in irradianza spettrale.
Questa seconda fase della procedura di calibrazione è quella potenzialmente più critica dal
momento che l’accuratezza del procedimento dipende da svariati fattori quali l’incertezza stessa
sull’irradianza spettrale certificata dal NIST (2.7 % a 250 nm, 1.85 % a 900 nm, 3.07 % a 2000 nm),
l’accuratezza nel posizionamento del diffusore alla distanza richiesta tra diffusore e lampada, la
stabilità nell’alimentazione della lampada e la stabilità della temperatura del laboratorio di misura.
In particolare, per ridurre l’incertezza sull’intensità nella zona UV di interesse (280 ÷ 400 nm), è
stata verificata la possibilità di effettuare la calibrazione in irradianza spettrale assoluta ad una
distanza inferiore e più utile ai fini prefissati (25 cm) da quella prescritta (50 cm). A tal fine è stato
verificato che per distanze comprese tra 23 cm ≤ d ≤ 64 cm il numero di conteggi decade secondo la
legge dell’inverso del quadrato della distanza (Counts=a+b⋅x, b = -2.03 ± 0.11 e ρ = -0.96 per λ = 280
nm; b = -2.22 ± 0.06 e ρ = -0.99 per λ = 300 nm; b = -2.06 ± 0.01 e ρ = -0.999 per λ = 400 nm). Come
evidenziato dalle curve in Figura 3, tale risultato sperimentale ha legittimato ad effettuare la
calibrazione in irradianza spettrale assoluta alla distanza di 25 cm, apportando l’opportuna correzione
ai valori di irradianza spettrale tabulati dal NIST. Per completezza si riporta anche il confronto tra le
curve di risposta dello spettroradiometro ottenute alle due distanze 25 cm (curva rossa) e 50 cm
(curva nera), confronto che evidenzia l’opportunità di effettuare la calibrazione in irradianza alla
distanza di 25 cm in special modo per le lunghezze d’onda di interesse.
Figura 3
Conteggi in funzione della distanza per alcune lunghezze d’onda di interesse.
Figura 4
Curve di risposta dello spettroradiometro ottenute alla distanza prescritta (50 cm) ed a quella adottata (25 cm).
Poiché in questa fase della calibrazione l’accuratezza è influenzata da diversi parametri, per
minimizzare i diversi contributi all’incertezza totale è stato verificato, ripetendo più volte la calibrazione,
quanto potesse influire la temperatura del laboratorio di misura, il corretto posizionamento del
diffusore alla distanza stabilita, la correzione della stray light [3]. Infine, per valutare la stabilità nel
tempo della strumentazione e la riproducibilità dei risultati ottenuti, la calibrazione in irradianza
spettrale assoluta è stata nuovamente eseguita al termine di ogni campagna di misura di albedo non
evidenziando nessuno scarto statisticamente significativo rispetto a quella precedentemente eseguita.
Per la valutazione della quantità di radiazione al suolo in caso di cielo sereno (clear sky) è stata
messa a punto da Flyby una procedura basata su un Modello di Trasferimento Radiativo (RTM) [4]. In
tale modello sono stati inclusi i seguenti fattori:
− l’ozono atmosferico (dati satellitari SCIAMACHY/ENVISAT);
− l’altitudine della località selezionata (modello DEM versione GTOPO30);
− l’aerosol atmosferico (modello stagionale in atmosfera standard);
− l’albedo UV dell’area vasta in cui si trova la località selezionata (valore standard) che tiene
conto del comportamento della radiazione nelle varie interazioni suolo-atmosfera.
Un ulteriore modello è stato sviluppato appositamente da Flyby per descrivere il caso più generale
di cielo nuvoloso, in modo da ottenere il valore dell’indice UV al suolo (UVI). Il parametro UVI così
calcolato è in accordo con gli standard internazionali WHO e WMO [5].
La quantità effettiva di radiazione che raggiunge la persona dipende, infine, anche da quanta
radiazione gli viene riflessa addosso dal terreno immediatamente circostante. Per tenere conto di
questo effetto, che può essere anche molto significativo, è stato incluso il parametro di albedo locale
AL nel modo seguente:
UVIeff = UVI (1 + AL)
Nel mese di Luglio 2005 sono state effettuate delle campagne di misura di albedo locale su
superfici tipicamente presenti lungo la costa toscana. In particolare sono state esaminate le superfici
mostrate Figura 5: asfalto ed erba, spiaggia sabbiosa, spiaggia di ghiaia, campo di grano tagliato,
campo arato, terra battuta. I dati di albedo ottenuti sono stati inseriti nell’algoritmo di calcolo per la
stima del tempo di esposizione sicura ai raggi solari.
Figura 5
a)
b)
c)
d)
Curve di albedo misurate per diversi tipi di superfici: a) sabbia; b) terreno arato; c) ghiaia; d) campo di grano.
La quantità effettiva di radiazione UVIeff è stata quindi correlata con la dose eritemica minima
(MED) personale per ottenere il massimo tempo di esposizione al sole consigliabile senza l’uso di
crema protettiva, tale da non arrecare arrossamento alla pelle.
Il fototipo e il valore MED personali sono stati determinati mediante un sistema esperto, sempre
sviluppato da Flyby, basato su un breve questionario di nove domande riguardanti ad esempio il
colore degli occhi e della pelle, l’eredità genetica, la predisposizione all’abbronzatura o alla scottatura,
sviluppato a partire da criteri consolidati ed utilizzati in fotodermatologia [6].
Per il calcolo dell’UVI nel caso generale di cielo nuvoloso sono state usate immagini satellitari MSG
acquisite direttamente da Flyby. Proprio l’uso di queste immagini ha determinato due caratteristiche
principali del sistema e cioè: 1 km di risoluzione spaziale orizzontale e una frequenza di
aggiornamento dei dati di 15 minuti, cioè una condizione di “tempo reale” rispetto alla tipica variabilità
di molte situazioni nuvolose. I valori di AL per il calcolo della radiazione effettiva sulla persona (UVIeff),
misurati da ARPAT per vari tipi di terreno, sono stati associati a una lista di tipi di terreno selezionabili
dall’utente (es. erba, sabbia chiara, asfalto, etc.).
Due sono stati i tempi di esposizione sicura suggeriti all’utente: uno relativo all’utilizzo di crema
protettiva con fattore SPF (standard COLIPA) selezionato dall’utente e l’altro relativo all’esposizione
senza uso di crema protettiva. Tutti i dati per l’esposizione sicura al sole sono stati forniti in tempo
reale, sia su sito web dedicato, sia sul cellulare personale dell’utente via SMS.
Figura 6
Confronto UVI calcolato/ UVI misurato - Livorno, Lug-Ago-Set 2005
y = 0.9486x + 0.2664
R2 = 0.9266
10
9
8
UVI calcolato
7
Deviazione
standard
N. punti
Errore relativo
SZA < 40°
SZA < 50°
SZA < 60°
SZA < 70°
0.87
≈ 1900
< 16%
< 18%
< 21%
< 29%
6
5
4
3
SZA=
angolo
solare
zenitale
2
1
0
0
2
4
6
8
10
UVI misurato
Confronto tra UVI calcolato e UVI misurato nell’arco di tre mesi
Figura 7
Confronto tra UVI calcolato e UVI misurato, per un giorno specifico
D) VALIDAZIONE DEL SISTEMA: confronto tra dati del satellite e misure al suolo
Il confronto tra l’indice UV calcolato in base ai dati satellitari e l’indice UV ottenuto con misure al
suolo eseguite da ARPAT in Livorno con uno spettroradiometro fisso SpectrAIR (vedi Figura 2),
mostra un accordo migliore del 16% nel caso di angolo solare azimutale inferiore a 40°, con anche i
casi più critici di cielo parzialmente nuvoloso.
In Figura 6 è riportato il confronto tra gli indici UV calcolato e misurato, con la relativa statistica,
effettuato con dati relativi al periodo Luglio-Agosto-Settembre 2005.
In Figura 7 è riportato l’andamento temporale degli indici UV calcolato e misurato per il giorno 10
Agosto 2005. Si noti la variabilità dovuta all’evoluzione della copertura nuvolosa che ha comportato,
ad esempio, un indice UV=3,3 verso le 11:50 e un valore più che doppio poco più di 10 minuti dopo.
E) Conclusioni
Il sistema informativo attivato, basato essenzialmente sulle potenzialità del telerilevamento
satellitare e della rete web, ha consentito di fornire all’utente gratuitamente e su un’area vasta, tramite
il semplice collegamento Internet o messaggistica SMS, tutte le informazioni necessarie ad una
corretta esposizione alla radiazione solare in modo facile e accattivante.
Elaborando dati satellitari e implementando un modello che tiene conto delle specifiche superfici
prevalentemente presenti sul litorale toscano è stato possibile raggiungere un’utenza di circa 3500
persone su un territorio di circa 1500 km2, impiegando un solo radiometro a terra per la validazione dei
dati e mettendo a disposizione del grande pubblico informazioni ambientali e uno strumento di
fotoprotezione in tempo reale.
Tale esperienza ha confermato i notevoli vantaggi dei sistemi di monitoraggio ambientale satellitare
su vasta scala, anche per poter creare percorsi di informazione e innescare approcci ambientali più
coscienti nei riguardi del legame ambiente e salute.
F) Bibliografia
[1] G.Monfrecola, G.Fabbrocini, A.Del Sorbo, E.Simeone, “Prevenzione del danno solare mediante dosimetria
ultravioletta personalizzata: una nuova metodica con l'uso di telefoni cellulari", Annali Italiani di Dermatologia
Allergologica Clinica e Sperimentale, 2004 - 58:96-103)
[2] J. Grobner, “Characterisation of spectrophotometers used for spectral solar ultraviolet radiation
measurements”, Radiation Protection Dosimetry, Vol. 97, N. 4, pp.415 – 418 (2001)
[3] A. Fabozzi, “Calibrazione e caratterizzazione di uno spettroradiometro”, Dip. di Fisica, Università di Pisa
(2006)
[4] Sigrid Wuttke, Jean Verdebout and Gunther Seckmeyer (2003), “An Improved Algorithm for Satellite-derived
UV Radiation”, Photochemistry and Photobiology, 77(1): 52–57
[5] M.A. Weinstock, “Assessment of Sun Sensitivity by Questionnaire: validity of items and formulation of a
prediction rule“, J. Clin. Epidemiol. Vol 45 , No 5. (1992)
[6] Working Group 4 of the COST-713 Action (2000), “UV-Index for the Public - A guide for publication and
interpretation of solar UV Index forecasts for the public”, European Communities, ISBN 92 828 81542 3.