Nyt sensornetværk afslører afslørende mønstre i nabolagets luftkvalitet

Sort kulstof, almindeligvis kendt som sod, er en væsentlig bidragyder til global opvarmning og er stærkt forbundet med ugunstige sundhedsmæssige resultater. Fremstillet ved ufuldstændig forbrænding af brændstoffer – udledt fra store lastbiler, tog, og skibsfartøjer – det er en luftforurening af særlig interesse for beboere i byområder. Sensorer, der er tilgængelige på markedet i dag, er dyre, gør sort kulstof svært at spore.

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), samarbejder med UC Berkeley, har udviklet en ny type sensornetværk, der er meget mere overkommelig, men alligevel i stand til at spore disse partikler. Med mere end 100 specialbyggede sensorer installeret over hele West Oakland i 100 dage, holdet skabte det største sorte kulstofovervågningsnetværk, der skal implementeres i en enkelt by.

En fuldstændig beskrivelse af 100×100 luftkvalitetsnetværket blev offentliggjort i tidsskriftet Miljøvidenskab og -teknologi .

Generering af en ny teknologi til at overvåge luftforurening

Projektet blev lanceret for at imødegå en vedvarende bekymring i samfundet:behovet for bedre værktøjer til at overvåge sort kulstof på tværs af tid og rum. Udvidelse af tidligere forskning ved Berkeley Lab, holdet tog fat på denne udfordring ved at bygge Aerosol Black Carbon Detector (ABCD). "Vi genererede en teknologi, der ikke eksisterede for at gøre dette usynlige problem synligt, sagde Thomas Kirchstetter, der leder afdelingen for energianalyse og miljøpåvirkninger på Berkeley Lab, og er adjungeret professor i civil- og miljøteknik ved UC Berkeley.

Lille og billig, ABCD er en kompakt luftkvalitetsmonitor, der kan måle koncentrationen af ​​sort kulstof i en luftprøve. "Vi var nødt til at skabe en sensor, der var lige så nøjagtig som højkvalitets, dyr instrumentering, men lave nok omkostninger til, at vi kunne distribuere 100 af dem i hele samfundet, " sagde Kirchstetter. Takket være designinnovationer, som medforfatter Julien Caubel udviklede under sin ph.d.-forskning, som hjælper sensorerne med at modstå ændringer i temperatur og fugtighed, ABCD kan producere pålidelige data, når de efterlades udenfor i længere perioder. Materialerne til hver ABCD koster mindre end $500. Sammenlignet med, kommercielt tilgængelige instrumenter, der måler sort kulstof, koster mange tusinde dollars.

Et godt distribueret netværk

Flåden af ​​sensorer blev indsat i hele West Oakland, et femten kvadratkilometer blandet bolig/industrikvarter omgivet af motorveje og påvirket af emissioner fra Port of Oakland og andre industrielle aktiviteter. Seks kategorier af arealanvendelse blev udpeget til sensorplacering:mod vinden, beboelse, industriel, tæt på motorvejen, lastbil rute, og havneplaceringer. "Det var vigtigt at bygge et godt fordelt netværk på tværs af nabolaget for at fange forureningsmønstre, " sagde medforfatter Chelsea Preble, en Berkeley Lab tilknyttet og postdoc-forsker ved UC Berkeley. Gennem et samarbejde med West Oakland Environmental Indicators Project (WOEIP), Miljøforsvarsfonden, Bay Area Air Quality Management District, og Port of Oakland, forskerne rekrutterede samfundsmedlemmer, der var villige til at være vært for sorte kulstofsensorer uden for deres hjem og virksomheder. "Vores partnerskab med WOEIP, især at arbejde sammen med fru Margaret Gordon og Brian Beveridge, var afgørende for undersøgelsens succes, " sagde Preble.

For at spore de individuelle sensorer i realtid, herunder deres driftsstatus, og indsamle målinger, medforfatter Troy Cados byggede en brugerdefineret hjemmeside og database. Hver time, enhederne sendte sorte kulstofkoncentrationer til databasen ved hjælp af 2G, det mobile trådløse netværk. Undersøgelsen producerede cirka 22 millioner linjer med data, giver indsigt i luftforureningens karakter på lokal skala. Nu tilgængelig til download, dataene bliver også brugt af samarbejdspartnere fra UC Berkeley, Bay Area Air Quality Management District, og andre institutioner til at forbedre modelleringsværktøjer for luftforurening.

At omdanne usynlige forurenende stoffer til data

Hvordan fungerede disse enheder? ABCD trak luft gennem et hvidt filter, hvor sorte kulstofpartikler blev aflejret. Optiske komponenter i sensoren målte periodisk mængden af ​​lys, der blev transmitteret gennem mørkefilteret. Sort kulstofkoncentration i luften var baseret på, hvor meget filteret var blevet mørkere over tid. Denne teknik, udviklet for flere årtier siden af ​​Berkeley Lab og nu kommercielt tilgængelig, tjente som grundlag for innovationerne i denne undersøgelse.

I West Oakland, forskerne fandt ud af, at sort kulstof varierede kraftigt over afstande så korte som 100 meter og tidsspænder så kort som en time. De højeste og mest variable niveauer var forbundet med lastbilaktivitet langs Maritime Street, typisk lavt i timerne før daggry, hvor Port of Oakland var lukket og toppede ved starten af ​​virksomheden, omkring otte om morgenen. De laveste koncentrationer af sort kulstof i undersøgelsesområdet blev registreret om søndagen, når lastbilaktiviteten typisk er lavest, og på steder i vejret nær bugten, vest for motorvejene og byens industrielle aktivitet. De fleste af sensorerne var i stand til at indsamle tilstrækkelige data til at etablere forureningsmønstre i løbet af de første 30 dage af undersøgelsen, tyder på, at lignende - og kortere - undersøgelser kunne give andre samfund værdifuld information om deres luftkvalitet.

Samarbejde med lokalsamfund for at fremme videnskaben om overvågning

"Denne forskning er et eksempel på, hvordan et nationalt laboratorium kan have en meningsfuld indflydelse ved at arbejde med lokalsamfund, " sagde Kirchstetter. "Vi arbejdede på at løse en bekymring, som de længe har haft, og leverede data, der beskriver, hvordan forureningen varierer i hele nabolaget, som kan bruges til at tale for renere luft, " sagde han. Holdet arbejder i øjeblikket på at fremme denne teknologi, gør det mere robust og lettere at bruge, så det kan udrulles i længere perioder andre steder.

"Vi har længe været involveret i udviklingen af ​​teknologier til registrering af luftforurening, sagde Kirchstetter, hvis mentor, Tica Novakov, startede feltet for sort kulstofforskning og var en inspiration for dette arbejde. "Berkeley Lab har eksperter i luftkvalitet og materialevidenskab, og kan fremme videnskaben om sensorer for at fortsætte denne vej fremad, " sagde han. Siden afslutningen af ​​projektet, Cados og Caubel har grundlagt en start-up for at udvikle disse teknikker og gøre dem lettere tilgængelige.