Измерение загрязнения воздуха — это процесс сбора и измерения компонентов загрязнения воздуха , в частности газов и твердых частиц . Самые ранние устройства, используемые для измерения загрязнения, включают дождемеры (при изучении кислотных дождей ), диаграммы Рингельмана для измерения дыма и простые коллекторы сажи и пыли, известные как измерители отложений . [1] Современное измерение загрязнения воздуха в значительной степени автоматизировано и выполняется с использованием множества различных устройств и методов. Они варьируются от простых абсорбирующих пробирок, известных как диффузионные трубки , до высокотехнологичных химических и физических датчиков, которые дают измерения загрязнения почти в реальном времени, которые используются для создания индексов качества воздуха .
Загрязнение воздуха вызывается многими вещами. В городской среде оно может содержать множество компонентов, в частности твердые и жидкие частицы (такие как сажа из двигателей и летучая зола , выбрасываемая мусоросжигательными заводами), а также многочисленные различные газы (чаще всего диоксид серы , оксиды азота и оксид углерода , все они связаны со сжиганием топлива ). Эти различные формы загрязнения оказывают различное воздействие на здоровье людей, на природу (воду, почву, урожай, деревья и другую растительность) и на окружающую среду. [2] Измерение загрязнения воздуха является первым шагом в определении его причин, а затем его снижении или регулировании для поддержания качества воздуха в пределах установленных законом пределов (установленных регулирующими органами, такими как Агентство по охране окружающей среды в США) или консультативных рекомендаций, предлагаемых такими органами, как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ). [3] По данным ВОЗ, более 6000 городов в 117 странах в настоящее время регулярно контролируют качество своего воздуха. [4]
Загрязнение воздуха (в целом) измеряется двумя способами: пассивно и активно. [5]
Пассивные устройства относительно просты и недороги. [6] Они работают, впитывая или иным образом пассивно собирая образец окружающего воздуха, который затем должен быть проанализирован в лаборатории. Одной из наиболее распространенных форм пассивного измерения является диффузионная трубка , которая похожа на лабораторную пробирку и крепится к чему-то вроде фонарного столба, чтобы поглощать один или несколько конкретных загрязняющих газов, представляющих интерес. Через некоторое время трубку снимают и отправляют в лабораторию для анализа. Датчики отложений , одна из старейших форм измерения загрязнения, являются другим типом пассивного устройства. [7] Это большие воронки, которые собирают сажу или другие частицы и сливают их в бутылки для отбора проб, которые, опять же, должны быть проанализированы в лаборатории. [7]
Активные измерительные устройства бывают автоматизированными или полуавтоматическими и, как правило, более сложными и изощренными, чем пассивные устройства, хотя они не всегда более чувствительны или надежны. [6] Они используют вентиляторы для всасывания воздуха, его фильтрации и либо автоматического анализа на месте, либо сбора и хранения для последующего анализа в лаборатории. Активные датчики используют либо физические, либо химические методы. [8] Физические методы измеряют образец воздуха, не изменяя его, например, путем определения того, сколько определенной длины волны света он поглощает. Химические методы изменяют образец каким-то образом, посредством химической реакции, и измеряют это. Большинство автоматизированных датчиков качества воздуха являются примерами активных измерений. [5]
Датчики качества воздуха варьируются от небольших портативных устройств до крупномасштабных стационарных станций мониторинга в городских районах, а также устройств дистанционного мониторинга, используемых на самолетах и космических спутниках.
На одном конце шкалы находятся небольшие, недорогие портативные (а иногда и носимые) датчики загрязнения воздуха, подключенные к Интернету , такие как Air Quality Egg и PurpleAir. [9] Они постоянно отбирают образцы твердых частиц и газов и производят умеренно точные, почти в реальном времени измерения, которые можно анализировать с помощью приложений для смартфонов. [10] Их данные также могут быть использованы краудсорсинговым способом, как отдельно, так и с другими данными о загрязнении, для построения карт загрязнения на больших территориях. [11] [12] Их можно использовать как в помещениях, так и на открытом воздухе, и большинство из них сосредоточены на измерении пяти распространенных форм загрязнения воздуха: озон , твердые частицы , оксид углерода , диоксид серы и диоксид азота . [13] Некоторые измеряют менее распространенные загрязнители, такие как радоновый газ и формальдегид . [14]
Подобные датчики когда-то были дорогими, но в 2010-х годах появилась тенденция к появлению более дешевых портативных устройств, которые могут носить люди для контроля уровня качества воздуха в своем районе. Теперь их иногда неофициально называют недорогими датчиками (LCS). [9] [15] Недавний обзор, проведенный Объединенным исследовательским центром Европейской комиссии, выявил 112 примеров, изготовленных 77 различными производителями. [16]
Персональные датчики могут дать возможность отдельным людям и сообществам лучше понять окружающую среду, подверженную воздействию загрязнения воздуха, и риски, связанные с загрязнением воздуха. [17] Например, исследовательская группа под руководством Уильяма Грисволда из Калифорнийского университета в Сан-Диего раздала портативные датчики загрязнения воздуха 16 пассажирам и обнаружила «городские долины», где здания задерживают загрязнение. Группа также обнаружила, что пассажиры автобусов подвергаются более высокому уровню воздействия, чем пассажиры автомобилей. [18]
В отличие от недорогих мониторов, которые переносятся с места на место, статические мониторы непрерывно отбирают пробы и измеряют качество воздуха в определенном городском месте. В общественных местах, таких как оживленные железнодорожные станции, иногда есть активные мониторы качества воздуха, постоянно закрепленные вдоль платформ для измерения уровней диоксида азота и других загрязняющих веществ. [19] Некоторые статические мониторы предназначены для немедленной обратной связи о качестве местного воздуха. В Польше мониторы воздуха EkoSłupek измеряют ряд загрязняющих газов и твердых частиц и имеют небольшие лампы сверху, которые меняют цвет с красного на зеленый, чтобы сигнализировать о том, насколько здоров воздух поблизости. [20]
На противоположном конце спектра от недорогих датчиков находятся большие, очень дорогие, стационарные уличные станции мониторинга, которые постоянно отбирают пробы различных загрязняющих веществ, обычно встречающихся в городском воздухе, для местных властей и которые составляют столичные системы мониторинга, такие как London Air Quality Network [21] и более широкая британская сеть под названием Automatic Urban and Rural Network (AURN). [22] В Соединенных Штатах EPA ведет хранилище данных о качестве воздуха через Air Quality System (AQS), где оно хранит данные с более чем 10 000 мониторов. [23] Европейское агентство по охране окружающей среды собирает свои данные о качестве воздуха с 3500 станций мониторинга по всему континенту. [24]
Измерения, производимые такими датчиками, которые намного точнее, также близки к реальному времени и используются для генерации индексов качества воздуха (AQI). Между двумя крайностями крупномасштабных статических и мелкомасштабных носимых датчиков находятся портативные мониторы среднего размера (иногда установленные в больших передвижных корпусах) и даже встроенные в «смог-мобильные» грузовики для отбора проб. [25]
В последнее время системы обнаружения загрязнения воздуха на проезжающих автомобилях стали перспективным подходом к мониторингу качества воздуха, используя датчики, установленные на такси, автобусах, трамваях и других транспортных средствах. [26] В частности, автобусы привлекли значительное внимание как мобильная сенсорная платформа из-за их широкой доступности и обширного географического покрытия. [27]
Качество воздуха также можно измерить дистанционно, с воздуха, с помощью лидара , [28] беспилотных летательных аппаратов , [29] и спутников, с помощью таких методов, как корреляция газового фильтра. [30] Среди первых попыток спутникового мониторинга загрязнения были GOME (Global Ozone Monitoring Experiment), который измерял глобальные (тропосферные) уровни озона с помощью Европейского спутника дистанционного зондирования ЕКА (ERS-2) в 1995 году, [31] и MAPS (Mapping Pollution with Satellites) НАСА, который измерял распределение оксида углерода в нижних слоях атмосферы Земли, также в 1990-х годах. [32]
Каждый отдельный компонент загрязнения воздуха должен быть измерен с помощью отдельного процесса, оборудования или химической реакции. Методы аналитической химии, используемые для измерения загрязнения, включают газовую хроматографию ; различные формы спектрометрии , спектроскопии и спектрофотометрии ; и пламенную фотометрию .
До конца 20-го века количество сажи, производимой чем-то вроде дымовой трубы , часто измерялось визуально и относительно грубо, путем поднятия карт с нанесенными на них линиями, указывающими различные оттенки серого. Они были известны как диаграммы Рингельмана , в честь их изобретателя, Макса Рингельмана , и измеряли дым по шестибалльной шкале. [33]
На современных станциях мониторинга загрязнения грубые (PM 10 ) и мелкие (PM 2,5 ) частицы измеряются с помощью устройства, называемого коническим элементом колебательных микровесов (TEOM), на основе стеклянной трубки, которая вибрирует более или менее по мере накопления на ней собранных частиц. Частицы также могут быть измерены с помощью других видов пробоотборников твердых частиц , включая оптические фотодетекторы , которые измеряют свет, отраженный от образцов света (более крупные частицы отражают больше света) и гравиметрического анализа (собранных на фильтрах и взвешенных). [34] Черный углерод обычно измеряется оптически с помощью приборов типа Aethalometer . [35]
Сверхтонкие частицы (меньше PM 0.1 , то есть, как правило, менее 100 нанометров в диаметре) трудно обнаружить и измерить некоторыми из этих методов. Обычно их измеряют (или подсчитывают) с помощью счетчиков конденсационных частиц , которые эффективно увеличивают частицы, конденсируя на них пары, чтобы сделать более крупные и гораздо более легко обнаруживаемые капли. [36] [37]
Атомный состав образцов частиц можно измерить с помощью таких методов, как рентгеновская спектрометрия . [38]
Диоксид азота ( NO
2) можно измерить пассивно с помощью диффузионных трубок, хотя для сбора образцов, их анализа и получения результатов требуется время. [39] [40] Его можно измерить вручную или автоматически с помощью метода Грисса-Зальцмана, как указано в ISO 6768:1998, [41] [42] или метода Якобса-Хохайзера. [43]
Его также можно измерить автоматически гораздо быстрее, с помощью хемилюминесцентного анализатора, который определяет уровень оксида азота по свету, который они испускают. В Великобритании, например, есть более 200 мест, где NO
2постоянно контролируется хемилюминесценцией. [44]
Диоксид серы ( SO 2 ) измеряется с помощью флуоресцентной спектроскопии . Это включает в себя воздействие ультрафиолетового света на образец воздуха и измерение полученной флуоресценции . [45] Абсорбционные спектрофотометры также используются для измерения SO 2 . Пламенно-фотометрические анализаторы используются для измерения других соединений серы в воздухе. [46]
Содержание оксида углерода (CO) и диоксида углерода (CO2 ) измеряется методом недисперсионного инфракрасного (NDIR) поглощения света на основе закона Бера-Ламберта . [47] Содержание CO также можно измерить с помощью электрохимических гелевых датчиков и металлооксидных полупроводниковых (МОП) детекторов. [48]
Озон ( O 3 ) измеряется путем определения того, сколько света поглощает образец окружающего воздуха. [49] Более высокие концентрации озона поглощают больше света в соответствии с законом Бера-Ламберта.
Их измеряют с помощью газовой хроматографии и пламенной ионизации (ГХ-ПИД). [50]
Углеводороды можно измерить с помощью газовой хроматографии и пламенно-ионизационных детекторов. [51] [52] Иногда их выражают как отдельные измерения метана ( CH
4), выбросы NMHC (неметановых углеводородов) и THC (общего количества углеводородов) (где THC — это сумма CH
4и выбросы NMHC). [51]
Аммиак ( NH
3) можно измерить различными методами, включая хемилюминесценцию. [53]
Загрязнение воздуха можно также оценить более качественно, наблюдая за воздействием загрязненного воздуха на растущие растения, такие как лишайники и мхи (пример биомониторинга ). [54] [55] [56] В некоторых научных проектах использовались специально выращенные растения, такие как клубника. [57]
Количество загрязняющего вещества, присутствующего в воздухе, обычно выражается в виде концентрации , измеряемой либо в частях на миллиард (обычно в частях на миллиард, ppb, или частях на миллион, ppm, также известных как объемное соотношение смешивания ), либо в микрограммах на кубический метр (мкг/м³). Сравнительно просто преобразовать одну из этих единиц в другую, принимая во внимание различный молекулярный вес различных газов, их температуру и давление. [58]
Эти единицы выражают концентрацию загрязнения воздуха в терминах массы или объема загрязняющего вещества, и они обычно используются для измерения как газообразных загрязняющих веществ, таких как диоксид азота, так и крупных (PM 10 ) и мелких (PM 2.5 ) частиц. Альтернативное измерение для твердых частиц, число частиц , выражает концентрацию в терминах числа частиц на объем воздуха, что может быть более значимым способом оценки вреда для здоровья высокотоксичных сверхмелких частиц (PM 0.1 , менее 0,1 мкм в диаметре). [59] [60] Число частиц можно измерить с помощью такого оборудования, как счетчики конденсационных частиц . [36] [37]
Значения индекса качества городского воздуха (AQI) вычисляются путем объединения или сравнения концентраций «корзины» распространенных загрязнителей воздуха (обычно озона, оксида углерода, диоксида серы, оксидов азота, а также мелких и крупных частиц) для получения единого числа на простой для понимания (и часто с цветовой кодировкой) шкале. [61]
Впервые загрязнение воздуха было систематически измерено в Британии в 19 веке. В 1852 году шотландский химик Роберт Ангус Смит открыл (и дал название) кислотным дождям после сбора образцов дождя, которые, как оказалось, содержали значительные количества серы от сжигания угля. Согласно хронологии загрязнения воздуха Дэвида Фаулера и его коллег, Смит был «первым ученым, который предпринял многосайтовые, многозагрязнительные исследования химической климатологии загрязненной атмосферы». [62]
В начале 20-го века ирландский врач и инженер-эколог Джон Свитцер Оуэнс и Комитет по исследованию загрязнения атмосферы, в котором он был секретарем, значительно продвинулись в измерении и мониторинге загрязнения воздуха с использованием сети измерителей осадков . Оуэнс также разработал ряд новых методов измерения загрязнения. [63]
В декабре 1952 года Великий смог Лондона привел к гибели 12 000 человек. [64] Это событие и подобные ему, такие как трагедия Доноры 1948 года в Соединенных Штатах, [65] стали одним из величайших поворотных моментов в истории окружающей среды, поскольку они привели к радикальному переосмыслению контроля за загрязнением. В Великобритании Великий смог Лондона привел непосредственно к принятию Закона о чистом воздухе , который мог иметь последствия даже более далеко идущие, чем изначально предполагалось. [66] Катастрофические события, подобные этому, привели к тому, что загрязнение измерялось и контролировалось гораздо более строго. [62]