Finpartikelforurening:kan vi stole på mikrosensormålinger?

Maj sidste år, Paris rådhus lancerede "Pollutrack", en flåde af mikrosensorer placeret på taget af køretøjer, der rejser gennem hovedstaden for at måle niveauet af fine partikler, der er til stede i luften i realtid. Et år for tidligt, Rennes foreslog, at beboerne deltog i vurderingen af ​​luftkvaliteten via individuelle sensorer.

For flere år, høje koncentrationer af fine partikler i Frankrig er blevet observeret regelmæssigt, og luftforurening er blevet et stort sundhedsproblem. Hvert år i Frankrig, 48, 000 for tidlige dødsfald er forbundet med luftforurening.

Vinteren 2017 var et glimrende eksempel på dette fænomen, med daglige niveauer på op til 100 ug/m ³ på visse områder, og med forhold, der stagnerede i flere dage på grund af de kolde og anticykloniske vejrmønstre.

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

- Vivre Paris (@vivreparis) 29. maj kl. 2017

En politisk skitse af den fine partikel

En fin partikel (partikler, forkortet PM) er kendetegnet ved tre hovedfaktorer:dens størrelse, natur og koncentration.

Dens størrelse, eller rettere dens diameter, er en af ​​de faktorer, der påvirker vores helbred:PM10 har en diameter på fra 2,5 til 10μm; PM2,5, en diameter mindre end 2,5μm. Til sammenligning, en partikel er cirka 10 til 100 gange finere end et hår. Og dette er problemet:jo mindre partikler vi indånder, jo dybere de trænger ind i lungerne, fører til betændelse i lunge -alveolerne, samt det kardiovaskulære system.

Naturen af ​​disse fine partikler er også problematisk. De består af en blanding af organiske og mineralske stoffer med forskellige farer:vand og kulstof danner basen, som kondenserer sulfater, nitrater, allergener, tungmetaller og andre kulbrinter med dokumenterede kræftfremkaldende egenskaber.

Hvad angår deres koncentration, jo større det er med hensyn til masse, jo større sundhedsrisiko. Verdenssundhedsorganisationen anbefaler ikke at overskride personlig eksponering på 25 μg/m ³ for PM2,5 som et 24-timers gennemsnit og 50 μg/m ³ til PM10. I de seneste år, tærsklerne er konstant blevet overskredet, især store byer.

Mennesker er ikke de eneste, der er påvirket af faren for disse fine partikler:når de aflejres, de bidrager til berigelse af naturlige miljøer, hvilket også kan føre til eutrofiering, et fænomen, hvor store mængder næringsstoffer, såsom nitrogen transporteret af partiklerne, aflejres i jorden eller vandet. Dette kan føre til algeblomster, der kan kvæle lokale økosystemer. Ud over, på grund af nitrogenets kemiske reaktion med det omgivende miljø, eutrofieringen fører generelt til forsuring af jorden. Jord, der er mere sur, bliver drastisk mindre frugtbar:vegetationen bliver udtømt, og langsomt men ubønhørligt, arter dør af.

Hvor kommer de fra?

Emissioner af fine partikler stammer primært fra menneskelige aktiviteter:60% af PM10 og 40% af PM2.5 stammer fra træforbrænding, især fra pejs eller komfuropvarmning, 20% til 30% stammer fra bilbrændstof (diesel er nummer et). Endelig, næsten 19% af de nationale PM10 -emissioner, og 10% PM2,5 -emissioner skyldes landbrugsaktiviteter.

For at hjælpe offentlige myndigheder med at begrænse og kontrollere disse emissioner, det videnskabelige samfund skal forbedre identifikationen og kvantificeringen af ​​disse emissionskilder, og skal få en bedre forståelse af deres rumlige og tidsmæssige variation.

Komplekse og dyre aflæsninger

I dag, aflæsning af fine partikler er primært baseret på to teknikker.

Først, prøver tages fra filtre disse tages efter en hel dag og analyseres derefter i et laboratorium. Bortset fra det faktum, at dataene er forsinkede, det anvendte analyseudstyr er dyrt og kompliceret at bruge; der kræves et vist niveau af ekspertise for at fortolke resultaterne.

Den anden teknik indebærer at foretage målinger i realtid, ved hjælp af værktøjer som multi-bølgelængde Aethalometer AE33, en enhed, der er relativt dyr, til over € 30, 000, men har fordelen ved at levere målinger hvert minut eller endda under et minut. Det er også i stand til at overvåge sort kulstof (BC):det kan identificere de partikler, der specifikt stammer fra forbrændingsreaktioner. Aerosol kemisk speciationsmonitor (ACSM) er også værd at nævne, da det gør det muligt at identificere partiklernes art, og tager målinger hvert 30. minut. Imidlertid, dens pris på 150, 000 euro betyder, at adgangen til denne type værktøj er begrænset til laboratorieeksperter.

I betragtning af deres omkostninger og sofistikerede niveau, der er et begrænset antal websteder i Frankrig, der er udstyret med disse værktøjer. Takket være disse simuleringer, analysen af ​​daglige gennemsnit gør det muligt at oprette kort med et 50km ved 50km gitter.

Da disse måleformer ikke gør det muligt at etablere et real-time kort med finere rumlig tidsmæssige skalaer-målt i km ² og minutter - forskerne er for nylig begyndt at lede efter nye værktøjer:partikelmikrosensorer.

Hvordan fungerer mikrosensorer?

Lille, lys, transportabel, billig, let at bruge, tilsluttede ... mikrosensorer ser ud til at tilbyde mange fordele, der supplerer rækken af ​​tunge analytiske teknikker nævnt ovenfor.

Men hvor troværdige er disse nye enheder? For at besvare dette spørgsmål, vi skal se på deres fysiske og metrologiske egenskaber.

På nuværende tidspunkt, flere producenter konkurrerer om mikrosensormarkedet:den britiske Alphasense, den kinesiske Shinyei og den amerikanske producent, Honeywell. De bruger alle den samme målemetode:optisk detektion ved hjælp af en laserdiode.

Princippet er enkelt:luften, suget ind af blæseren, strømmer gennem detekteringskammeret, som er konfigureret til at fjerne de større partikler, og bevarer kun de fine partikler. Luften, fyldt med partikler, strømmer gennem det optiske signal udsendt af laserdioden, hvis stråle er diffrakteret af en linse.

En fotodetektor placeret over for de udsendte stråleregistre falder i lysstyrke forårsaget af de partikler, der passerer, og tæller antallet efter størrelsesintervaller. Det elektriske signal fra fotodioden overføres derefter til en mikrokontroller, der behandler dataene i realtid:hvis luftstrømningshastigheden er kendt, koncentrationstallet kan derefter bestemmes, og derefter massen, baseret på størrelsesintervaller, som vist på figuren herunder.

Fra den mest basale til den fuldt integrerede version (herunder anskaffelse og databehandlingssoftware, og målingstransmission via cloud computing), prisen kan variere fra 20 til 1, 000 euro til de mest udførlige systemer. Dette er meget overkommeligt, sammenlignet med ovennævnte teknikker.

Kan vi stole på mikrosensorer?

Først, det skal bemærkes, at disse mikrosensorer ikke giver nogen oplysninger om de fine partiklers kemiske sammensætning. Kun de ovenfor beskrevne teknikker kan gøre det. Imidlertid, viden om partiklernes natur giver information om deres kilde.

Desuden, mikrosensorsystemet, der bruges til at adskille partikler efter størrelse, er ofte rudimentært; felttest har vist, at mens de fineste partikler (PM2.5) overvåges rimeligt godt, det er ofte svært at udtrække PM10 -fraktionen alene. Imidlertid, de fineste partikler er netop det, der påvirker vores helbred mest, så denne mangel er ikke problematisk.

Med hensyn til påvisnings-/kvantificeringsgrænserne, når sensorerne er nye, det er muligt at nå rimelige tærskler på ca. 10 µg/m ³ . De har også følsomhedsniveauer mellem 2 og 3 ug/m ³ (med en usikkerhed på ca. 25%), hvilket er mere end tilstrækkeligt til at overvåge dynamikken i, hvordan partikelkoncentrationerne ændrer sig i koncentrationsområdet på op til 200µg/m ³ .

Imidlertid, over tid, fluidik og optiske detektorer i disse systemer har en tendens til at blive tilstoppede, fører til fejl i resultaterne. Mikrosensorer skal derfor regelmæssigt kalibreres ved at forbinde dem med referencedata, f.eks. data frigivet af luftforureningsbekæmpelsesbureauer.

Denne type værktøj er derfor ideel til en øjeblikkelig og semi-kvantitativ diagnose. Ideen er ikke at give en ekstremt præcis måling, men snarere at rapportere om de dynamiske ændringer i partikelforurening i en skala med lave/mellem/høje niveauer. På grund af de lave omkostninger ved disse værktøjer, de kan fordeles i stort antal i feltet, og derfor bidrage til at give en bedre forståelse af partikelemissioner.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.