Förra maj, Paris stadshus lanserade "Pollutrack", en flotta av mikrosensorer placerade på taket på fordon som färdas genom huvudstaden för att mäta nivån av fina partiklar som finns i luften i realtid. Ett år för tidigt, Rennes föreslog att invånarna skulle delta i bedömningen av luftkvaliteten via individuella sensorer.

För några år, höga koncentrationer av fina partiklar i Frankrike har regelbundet observerats, och luftföroreningar har blivit ett stort hälsoproblem. Varje år i Frankrike, 48, 000 förtida dödsfall är kopplade till luftföroreningar.

Vintern 2017 var ett utmärkt exempel på detta fenomen, med dagliga nivåer som når upp till 100 µg/m ³ inom vissa områden, och med förhållanden som stagnerar i flera dagar på grund av det kalla och anticykloniska vädermönster.

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, 2017

En polisskiss av den fina partikeln

En fin partikel (partiklar, förkortas PM) kännetecknas av tre huvudfaktorer:dess storlek, natur och koncentration.

Dess storlek, eller snarare dess diameter, är en av faktorerna som påverkar vår hälsa:PM10 har en diameter som sträcker sig från 2,5 till 10 μm; PM2,5, en diameter mindre än 2,5μm. Som jämförelse, en partikel är ungefär 10 till 100 gånger finare än ett hårstrå. Och detta är problemet:ju mindre partiklar vi andas in, ju djupare de tränger in i lungorna, leder till en inflammation i lungalveolerna, såväl som det kardiovaskulära systemet.

Naturen hos dessa fina partiklar är också problematisk. De är uppbyggda av en blandning av organiska och mineraliska ämnen med varierande grad av fara:vatten och kol bildar basen kring vilken kondenserar sulfater, nitrater, allergener, tungmetaller och andra kolväten med bevisade cancerframkallande egenskaper.

När det gäller deras koncentration, desto större är den när det gäller massa, desto större hälsorisk. Världshälsoorganisationen rekommenderar att den personliga exponeringen inte överstiger 25 μg/m ³ för PM2,5 som ett 24-timmarsgenomsnitt och 50 μg/m ³ för PM10. På senare år har tröskelvärdena har ständigt överskridits, särskilt stora städer.

Människor är inte de enda som påverkas av faran med dessa fina partiklar:när de deponeras, de bidrar till att berika naturliga miljöer, vilket också kan leda till övergödning, ett fenomen där överskottsmängder av näringsämnen, såsom kvävet som bärs av partiklarna, deponeras i jorden eller vattnet. Detta kan leda till algblomning som kan kväva lokala ekosystem. Dessutom, på grund av kvävets kemiska reaktion med den omgivande miljön, övergödningen leder i allmänhet till markförsurning. Jord som är surare blir drastiskt mindre bördig:vegetationen utarmas, och sakta men obönhörligt, arter dör ut.

Var kommer de ifrån?

Utsläpp av fina partiklar härrör främst från mänskliga aktiviteter:60 % av PM10 och 40 % av PM2,5 genereras från vedförbränning, speciellt från eldstad eller spis uppvärmning, 20 % till 30 % kommer från bilbränsle (diesel är nummer ett). Till sist, nästan 19 % av de nationella PM10-utsläppen, och 10 % PM2,5-utsläpp härrör från jordbruksverksamhet.

För att hjälpa offentliga myndigheter att begränsa och kontrollera dessa utsläpp, vetenskapssamfundet måste förbättra identifieringen och kvantifieringen av dessa utsläppskällor, och måste få en bättre förståelse för deras rumsliga och tidsmässiga variabilitet.

Komplexa och kostsamma avläsningar

I dag, finpartikelavläsningar baseras i första hand på två tekniker.

Först, prover tas från filter; dessa tas efter en hel dag och analyseras sedan i ett laboratorium. Förutom att uppgifterna är försenade, den analysutrustning som används är kostsam och komplicerad att använda; Det krävs en viss kompetens för att tolka resultaten.

Den andra tekniken innebär att man gör mätningar i realtid, med hjälp av verktyg som Multi-våglängd Aethalometer AE33, en enhet som är relativt dyr, för över 30 €, 000, men har fördelen att ge mätningar varje minut eller till och med under en minut. Det kan också övervaka svart kol (BC):det kan identifiera partiklarna som härrör specifikt från förbränningsreaktioner. Aerosol kemisk speciationsmonitor (ACSM) är också värd att nämna, eftersom det gör det möjligt att identifiera partiklarnas natur, och gör mätningar var 30:e minut. Dock, kostar 150:- 000 euro innebär att tillgången till denna typ av verktyg är begränsad till laboratorieexperter.

Med tanke på deras kostnad och sofistikerade nivå, Det finns ett begränsat antal platser i Frankrike som är utrustade med dessa verktyg. Tack vare dessa simuleringar, analysen av dagliga medelvärden gör det möjligt att skapa kartor med ett rutnät på 50 km gånger 50 km.

Eftersom dessa mätmetoder inte gör det möjligt att upprätta en realtidskarta med finare rums-temporala skalor – i termer av km ² och protokoll - forskarna har nyligen börjat leta efter nya verktyg:partikelmikrosensorer.

Hur fungerar mikrosensorer?

Små, ljus, portabla, billig, lätt att använda, anslutna... mikrosensorer verkar erbjuda många fördelar som kompletterar utbudet av tunga analytiska tekniker som nämns ovan.

Men hur trovärdiga är dessa nya enheter? För att svara på denna fråga, vi måste titta på deras fysiska och metrologiska egenskaper.

För närvarande, flera tillverkare konkurrerar om mikrosensormarknaden:brittiska Alphasense, den kinesiska Shinyei och den amerikanska tillverkaren, Honeywell. De använder alla samma mätmetod:optisk detektering med en laserdiod.

Principen är enkel:luften, sugs in av fläkten, strömmar genom detektionskammaren, som är konfigurerad för att ta bort de större partiklarna, och kvarhåller endast de fina partiklarna. Luften, laddad med partiklar, flödar genom den optiska signalen som sänds ut av laserdioden, vars stråle diffrakteras av en lins.

En fotodetektor placerad mittemot den utsända strålen registrerar minskningar i ljusstyrka orsakade av de passerande partiklarna, och räknar antalet efter storleksintervall. Den elektriska signalen från fotodioden överförs sedan till en mikrokontroller som bearbetar data i realtid:om luftflödet är känt, koncentrationstalet kan sedan bestämmas, och sedan massan, baserat på storleksintervallen, som visas i figuren nedan.

Från den mest grundläggande till den helt integrerade versionen (inklusive programvara för förvärv och databehandling, och mätöverföring via cloud computing), priset kan variera från 20 till 1, 000 euro för de mest utarbetade systemen. Detta är mycket prisvärt, jämfört med teknikerna ovan.

Kan vi lita på mikrosensorer?

Först, Det bör noteras att dessa mikrosensorer inte ger någon information om de fina partiklarnas kemiska sammansättning. Endast de tekniker som beskrivs ovan kan göra det. Dock, kunskap om partiklarnas natur ger information om deras källa.

Vidare, mikrosensorsystemet som används för att separera partiklar efter storlek är ofta rudimentärt; fälttester har visat att även om de finaste partiklarna (PM2,5) övervakas ganska väl, det är ofta svårt att extrahera PM10-fraktionen ensam. Dock, de finaste partiklarna är just det som påverkar vår hälsa mest, så denna brist är inte problematisk.

När det gäller detektions-/kvantifieringsgränserna, när sensorerna är nya, det är möjligt att nå rimliga gränsvärden på cirka 10 µg/m ³ . De har också känslighetsnivåer mellan 2 och 3 µg/m ³ (med en osäkerhet på cirka 25%), vilket är mer än tillräckligt för att övervaka dynamiken i hur partikelkoncentrationerna förändras i koncentrationsintervallet upp till 200 µg/m ³ .

Dock, över tid, fluidik och optiska detektorer i dessa system tenderar att bli igensatta, leder till fel i resultaten. Mikrosensorer måste därför kalibreras regelbundet genom att ansluta dem till referensdata, till exempel uppgifter som släppts av luftföroreningskontrollorgan.

Denna typ av verktyg är därför idealisk för en momentan och semikvantitativ diagnos. Tanken är inte att ge en extremt exakt mätning, utan snarare att rapportera om de dynamiska förändringarna i luftföroreningar i partiklar i en skala med låga/medelstora/höga nivåer. På grund av den låga kostnaden för dessa verktyg, de kan distribueras i stort antal i fält, och därför bidra till att ge en bättre förståelse för partikelutsläpp.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.