Стоимость датчиков качества воздуха исследовательского класса довольно высока — около 40 000 долларов. Для городов, пытающихся контролировать выбросы парниковых газов, такая цена может значительно ограничивать количество датчиков, которые они могут установить, а значит и снизить объем данных, которые они могут собрать.
Если только… С 2014 года Университет штата Юта поддерживает исследовательский набор приборов для контроля качества воздуха, установленных на легкорельсовых поездах, которые ежедневно курсируют по долине Соленого озера. Эти мобильные датчики, по оценке ученых в новом исследовании, охватывают ту же территорию, что и 30 стационарных датчиков, предоставляя долине Соленого озера очень экономичный способ мониторинга выбросов парниковых газов и заполнения пробелов в оценках выбросов. Исследование опубликовано в журнале Environmental Science & Technology.
«Уровни загрязняющих веществ в атмосфере будут быстро меняться в ближайшее десятилетие по мере развертывания чистых энергетических технологий», — говорит Логан Митчелл, доцент кафедры атмосферных наук и соавтор исследования. «Экономически эффективный мониторинг атмосферы поможет политикам понять, какие меры приводят к снижению уровней загрязняющих веществ, где необходимо уделять больше внимания и возникает ли экологическое неравенство, поскольку в некоторых районах выбросы сокращаются быстрее, чем в других».
История установки датчиков в поездах штата Юта началась в 2009 году с тогдашней докторантуры Хизер Холмс (ныне доцент кафедры химической инженерии). Холмс установила датчик твердых частиц в поезде, но только на короткий период времени.
Когда в 2013 году Митчелл прибыл в Университет США в качестве постдокторанта, он обсудил возрождение проекта Холмс с научными руководителями факультета Джимом Элерингером, выдающимся профессором биологии, и Джоном Лином, профессором атмосферных наук и соавтором текущего исследования. При поддержке штата Митчелл провел предварительное исследование в 2014 году.
Сначала они поместили воздухозаборники в окно незанятой кабины водителя. «Я заметил, что каждый раз, когда поезд останавливается на вокзале, возникал небольшой выброс CO2», — говорит Митчелл. «Сначала это меня сбило с толку, но я понял, что впускные трубы, торчащие из окна машиниста, на самом деле улавливают человеческое дыхание людей, стоящих на платформе поезда, ожидающих посадки в поезд!»
Испытание прошло успешно, и Митчелл в партнерстве с исследовательской группой профессора Джона Хорела приступил к полноценным исследованиям по мониторингу качества воздуха и парниковых газов — на этот раз с датчиками на крыше поезда, чтобы они не улавливали CO2 от людей, которые ожидают на платформах своего поезда.
Теперь программа расширилась до дополнительных линий, и текущее государственное финансирование поддерживает мониторинг качества воздуха, в то время как дополнительное финансирование от Национального управления океанических и атмосферных исследований поддержало это исследование выбросов парниковых газов.
Измерение выбросов сверху вниз
В исследовании датчики воздуха оцениваются как нисходящее измерение выбросов парниковых газов. «Нисходящий» анализ означает измерение концентрации в атмосфере, а затем выяснение того, откуда происходят выбросы. Другой подход, «восходящий» анализ, включает инвентаризацию всех возможных источников выбросов и суммирует их для общей оценки.
«Нисходящие измерения позволяют нам оценить точность восходящих кадастров выбросов», — говорит Дерек Маллиа, ведущий автор исследования и доцент кафедры атмосферных наук. «Если инвентаризация выбросов немного отклонена или отсутствует источник выбросов, подход сверху вниз дает нам возможность это выяснить».
Спутники НАСА также могут быть использованы для оценки нисходящих оценок выбросов для городов по всему миру, и Лин и его группа также работают над этим. «Эти спутниковые измерения полезны для оценки целых городов и для городов, в которых отсутствуют наземные наблюдения, — говорит Лин, — но датчики на поездах позволяют получить большую детализацию выбросов по всему городу и могут дополнять космические наблюдения».
Нисходящие измерения этого типа на большой территории могут сосредоточиться на определенных элементах инвентаризации выбросов в городе, чтобы определить способы изменения инвентаризации.
«Очень простой пример — выбросы на дорогах», — говорит Маллиа. Исследователи обнаружили заниженные оценки выбросов на дорогах с помощью восходящих инвентаризаций, которые, если бы они наблюдались только стационарным датчиком около одной главной дороги, предполагали бы только потенциальную заниженную оценку для этой конкретной дороги. Но если выбросы на дорогах постоянно недооцениваются по всему городу, говорит Маллиа, «в основном это говорит нам о том, что мы не учитываем что-то, касающееся выбросов на дорогах в целом. Это может быть действительно важно, чтобы понять, как сделать так, чтобы все большее количество людей начали водить электромобили с нулевым уровнем выбросов выхлопных газов».
По мере того как города работают над сокращением экологического неравенства, мобильный мониторинг воздуха также может помочь отслеживать, улучшается ли воздух в одних городских районах быстрее, чем в других, добавляет Митчелл.
«Измерения на основе поездов в сочетании с сетью стационарных участков означают, что Солт-Лейк-Сити — один из городов мира с лучшими приборами для наблюдения за загрязнением», — говорит Линь.
Насколько известно исследователям, датчики качества воздуха были установлены на платформах общественного транспорта лишь в нескольких городах Европы. Но тот же подход можно использовать в любом городе с аналогичными системами легкорельсового транспорта — например, в Портленде, Орегоне и Денвере. В городах с железнодорожными системами, которые частично или полностью проходят под землей, датчики могут быть установлены на электрических автобусах.
Снижение затрат при таком подходе ошеломляет. Авторы считают, что один мобильный датчик исследовательского уровня стоимостью 40 000 долларов может покрыть ту же площадь, что и около 30 стационарных датчиков стоимостью более 1,2 миллиона долларов.
«Это исключает рабочую силу, необходимую для обслуживания сети из 30 станций, которая была бы огромной», — говорит Митчелл. «Короче говоря, согласно нашему предварительному анализу, полунепрерывные мобильные измерения на транспортных средствах общественного транспорта являются очень рентабельной стратегией для мониторинга выбросов в городах».
