Tak och vindsidorna på byggnader i gatukajoner har de lägsta nivåerna av partiklar under en föroreningshändelse med en enda källa, enligt Penn State-forskare. Resultaten har implikationer för att förbättra evakueringsplaner under ett utsläpp av föroreningar samt för att informera om ventilationssystemdesign av stadsbyggnader.

"Tidigare forskning har fokuserat på miljöföroreningar som skapas av trafik, sa Jeremy Gernand, biträdande professor i industriell hälsa och säkerhet. "Vi bestämde oss för att undersöka föroreningskällor från en punktkälla av partiklar, som ett kemikaliespill eller ett oavsiktligt utsläpp från en fabrik."

Forskarna undersökte ett scenario för utsläpp av föroreningar för att utvärdera de säkraste platserna för evakuering och för byggnadsdesignelement som luftintag. Detta är den första studien som undersöker en utsläppshändelse från en enda källa nära en gatukajon.

Övervakning av luftkvaliteten i stadsområden kan vara mycket viktig på grund av hög befolkningstäthet och halter av partiklar. Gatan kanjoner, eller platser där gatan avgränsas på båda sidor av byggnader, är viktiga platser för att studera luftföroreningar eftersom de är vanliga i stadsområden.

Partiklar, kallas ofta aerosoler, är fina fasta ämnen eller vätskedroppar suspenderade i gas. Höga koncentrationer i atmosfären kan bidra till dödligheten, eftersom exponering för dessa partiklar kan förvärra eller orsaka negativa medicinska effekter. Partiklar frigörs från en mängd olika naturliga eller mänskliga källor, som bilar, byggarbetsplatser och dammstormar.

Forskare vid Penn State's Mining Ventilation Laboratory skapade en 3D-gata i miniatyr i en vindtunnel med hjälp av skumblock för att simulera byggnader. Fyra skumblock placerades i en två-och-två-array, åtskilda av luckor som fungerade som gator.

För att säkerställa att luftflödet i vindtunneln matchar realistiska förhållanden i ett stadsområde, forskare var tvungna att göra justeringar. Vanligtvis, luft i en vindtunnel uppvisar laminärt flöde, vilket innebär att det flyter jämnt i parallella lager utan virvlar eller tvärströmmar som stör flödesriktningen. Denna typ av flöde kan vara idealisk för att testa mekanismer som flygplansvingar i simulerad luft på hög höjd.

På lägre höjder, dock, luften beter sig väldigt olika. Nära marken, mindre strukturer som hus och träd och större byggnader, som skyskrapor, avbryta det jämna luftflödet och få det att bli turbulent, eller oregelbunden och upprörd.

Forskarna använde lågkostnadsmaterial som lego och pappspiror för att skapa turbulent luftflöde i en vindtunnel fylld med laminärt strömmande luft.

För att simulera en enda partikelemissionskälla, forskare använde vatten som genererats från en ultraljudsfuktare. Eftersom miljöpartiklar ofta beläggs med vatten, kollisioner mellan vattendroppar i ett vindtunnelexperiment och kollisioner mellan vattenbelagda partiklar utanför kan vara mycket lika, sa Gernand.

För att hitta de områden i gatukajonen där partikelhalterna nådde sina lägsta och högsta koncentrationer, forskare använde data från vindtunnelexperimentet för att skapa en datormodell av scenariot. Datorsimuleringar visade att de lägsta partikelkoncentrationerna fanns på taket och på byggnadsfasader i medvind. På andningsnivå, de lägsta koncentrationerna hittades på den lä-skyddade sidan av arrayens tvärgående kanal, gatan som går vinkelrätt mot luftflödets riktning.

Resultaten har konsekvenser för att förbättra evakueringsplaner och för att informera om ventilationssystemdesign. I händelse av en nödsituation för utsläpp av föroreningar från en central källa, fotgängare ska evakueras till läsidan av den tvärgående kanalen. För installation av nya luftintag, delar av tak längst bort från inre kanaler, eller vägar, av gatukajoner fungerar som den säkraste platsen, sa forskarna.

Forskarna rapporterade sina resultat i tidskriften Luftkvalitet, Atmosfär och hälsa .

Dock, med tanke på mångfalden av möjliga scenarier, dessa fynd utgör endast en allmän riktlinje och kommer att dra nytta av ytterligare undersökningar, sa Gernand. Bygger på den kostnadseffektiva modelleringsmetod som används i denna studie, framtida forskning kommer att överväga ytterligare möjligheter med målet att ge mer omfattande säkerhetsrekommendationer.