Luftkvalitetssensorer av forskningskvalitet är dyra - runt 40 USD, 000. För städer som försöker övervaka sina utsläpp av växthusgaser, kostnaden kan begränsa antalet sensorer de kan installera och den data de kan samla in.

Såvida inte. . .

Sedan 2014, University of Utah har upprätthållit sviter av luftkvalitetsinstrument i forskningsklass installerade på spårvägståg som rör sig genom Salt Lake Valley varje dag. Dessa mobila sensorer, forskare uppskattar i en ny studie, täcker samma område som 30 stationära sensorer, förse Salt Lake Valley med ett mycket kostnadseffektivt sätt att övervaka sina växthusutsläpp och fylla i luckor i utsläppsberäkningar. Studien publiceras i Miljövetenskap och teknik .

"Nivåerna av föroreningar i atmosfären kommer att förändras snabbt under det kommande decenniet när ren energiteknik används, " säger Logan Mitchell, forskarassistent i atmosfärsvetenskap, och en medförfattare till studien. "Kostnadseffektiv atmosfärisk övervakning kommer att hjälpa beslutsfattare att förstå vilken politik som leder till minskningar av föroreningsnivåer, där det behövs mer fokus, och om det uppstår miljöskillnader när vissa områden minskar sina utsläpp snabbare än andra områden."

Tar showen på vägen

Historien om montering av sensorer på tågen i Utah Transit Authoritys TRAX-system börjar 2009 med dåvarande doktorand Heather Holmes (nu docent i kemiteknik). Holmes installerade en partikelsensor på ett tåg men bara under en kort tidsperiod.

När Mitchell anlände till USA som postdoktor 2013 diskuterade han att återuppliva Holmes projekt med fakultetsrådgivarna Jim Ehleringer, framstående professor i biologi, och John Lin, professor i atmosfärsvetenskap och medförfattare till den aktuella studien. Med stöd från UTA, Mitchell gjorde en preliminär studie 2014.

De testade först placerade luftintagsrör ut genom fönstret i en ledig förarhytt. "Jag märkte att det fanns en liten CO ₂ stöta varje gång TRAX-tåget stannade vid en tågstation, " säger Mitchell. "Det här förvirrade mig från början, men jag insåg att inloppsrören som stack ut genom förarfönstret faktiskt plockade upp mänsklig andning från människor som stod vid tågperrongen och väntade på att få gå ombord på tåget!"

Testet var en framgång, och Mitchell samarbetade med professor John Horels forskargrupp för att lansera en fullfjädrad forskningssatsning för att övervaka luftkvalitet och växthusgaser – den här gången med sensorerna på tågets tak så att de inte påverkas av människor som väntar på tågperrongerna.

Nu har programmet utökats till ytterligare TRAX-linjer och pågående statlig finansiering stödjer luftkvalitetsövervakningen medan ytterligare finansiering från National Oceanic and Atmospheric Administration stödde denna studie om utsläpp av växthusgaser.

Top-down mätning av utsläpp

Studien utvärderar TRAX luftsensorer som en top-down mätning av växthusgasutsläpp. "Top-down"-analys betyder mätning av atmosfärskoncentrationen, och sedan ta reda på var utsläppen kommer ifrån. Ett annat tillvägagångssätt, "bottom-up"-analys, inventerar alla möjliga utsläppskällor och lägger ihop dem för att uppskatta totalsumman.

"Top-down-mätningar gör att vi kan utvärdera om nedifrån-och-upp-utsläppsinventeringarna är korrekta, " säger Derek Mallia, huvudförfattare till studien och forskningsbiträdande professor i atmosfäriska vetenskaper. "Om en utsläppsinventering är avstängd en aning eller saknar en utsläppskälla, top-down-metoden ger oss ett sätt att ta reda på det."

NASA-satelliter kan också användas för att uppskatta top-down utsläppsuppskattningar för städer runt om i världen, en insats som Lin och hans grupp också gör. "Dessa satellitmätningar är användbara för att bedöma hela städer och för städer som saknar markobservationer, "Lin säger, "men de TRAX-baserade sensorerna möjliggör mer granularitet i utsläppen i hela staden och kan komplettera de rymdbaserade observationerna."

Top-down-mätningar av denna typ över ett stort område kan fokusera på särskilda delar av en stads utsläppsinventering för att identifiera sätt som inventeringen behöver förändras.

"Ett riktigt enkelt exempel på detta skulle vara att titta på utsläpp på väg, " säger Mallia. Forskarna fann underskattningar av utsläpp på väg genom inventeringar nerifrån och upp, vilket om det observeras av endast en stationär sensor nära en enda huvudväg endast skulle föreslå potentiella underskattningar för just den vägen. Men om utsläppen på väg konsekvent underskattas över en hel stad, Mallia säger, "i grunden, detta säger oss att vi inte står för något om utsläpp på väg, i allmänhet. Detta kan vara väldigt viktigt att förstå när fler och fler människor börjar köra elfordon som har noll avgasutsläpp."

När städer arbetar för att minska miljöskillnaderna, mobil luftövervakning kan också hjälpa till att övervaka om vissa stadsområdens luft förbättras snabbare än andra, tillägger Mitchell.

En modell för städer att följa

"De TRAX-baserade mätningarna, kombinerat med nätverket av stationära platser, betyder att Salt Lake City är en av de bäst instrumenterade städerna i världen när det gäller observationer av föroreningar, säger Lin.

Såvitt forskarna vet, Luftkvalitetssensorer har installerats på kollektivtrafikplattformar i endast en handfull städer i Europa. Men samma tillvägagångssätt skulle kunna användas i vilken stad som helst med liknande spårvägssystem — Portland, Oregon och Denver, till exempel. I städer med järnvägssystem som går delvis eller helt under jord, sensorer skulle kunna monteras på elbussar.

Kostnadsbesparingarna med ett sådant tillvägagångssätt är svindlande. En mobil sensor av forskningsklass som kostar $40, 000, författarna finner, kan täcka samma område som ett 30-tal stationära sensorer som kostar uppemot 1,2 miljoner dollar.

"Detta utesluter den arbetskraft som behövs för att upprätthålla ett nätverk med 30 stationer, vilket skulle vara enormt, " säger Mitchell. "Lång historia kort – baserat på vår preliminära analys, semi-kontinuerliga mobila mätningar på kollektivtrafikfordon är en mycket kostnadseffektiv strategi för att övervaka utsläpp i städer."