MEDSUN: un sistema innovativo di fotoprotezione e monitoraggio su larga scala dell esposizione ai raggi UV solari

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1 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. f a ARPAT, STePPAS Dir. Gen., Via N. Porpora 22, Firenze, Italia, g.licitra@arpat.toscana.it b FLYBY S.r.l., Via Puini, 97 int. 26, Livorno, Italia, fabrizio.flore@flyby.it c ARPAT, Dip. di Pisa, Via Vittorio Veneto 27, Pisa, Italia, s.carpinello@arpat.toscana.it d Università di Pisa, Dip. di Fisica, Largo Pontecorvo, Pisa, Italia, sciangai@yahoo.com e ARPAT, Dip. di Pisa, Via Vittorio Veneto 27, Pisa, Italia, p.gallo@arpat.toscana.it f ARPAT, Dip. di Pisa, Via Vittorio Veneto 27, Pisa, Italia, d.palazzuoli@arpat.toscana.it 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), finanziato dall Agenzia Spaziale Europea (ESA). PROMOTE intende

2 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/(m 2 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.

3 Figura 2 Spettroradiometro Flyby SpectrAIR TM 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 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 ( 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 = ± 0.11 e ρ = per λ = 280 nm; b = ± 0.06 e ρ = per λ = 300 nm; b = ± 0.01 e ρ = 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

4 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 A L nel modo seguente: UVI eff = UVI (1 + A L )

5 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) c) b) 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 UVI eff 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 A L per il calcolo della radiazione effettiva sulla persona (UVI eff ), 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. UVI calcolato Figura 6 Confronto UVI calcolato/ UVI misurato - Livorno, Lug-Ago-Set 2005 y = x R 2 = UVI misurato Confronto tra UVI calcolato e UVI misurato nell arco di tre mesi Deviazione standard 0.87 N. punti 1900 Errore relativo SZA < 40 < 16% SZA < 50 < 18% SZA < 60 < 21% SZA < 70 < 29% SZA= angolo solare zenitale

6 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 In Figura 7 è riportato l andamento temporale degli indici UV calcolato e misurato per il giorno 10 Agosto 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 km 2, 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, :96-103) [2] J. Grobner, Characterisation of spectrophotometers used for spectral solar ultraviolet radiation measurements, Radiation Protection Dosimetry, Vol. 97, N. 4, pp (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): [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

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