Průkopnická studie University of Utah a EDF využila auta Google Street View pro podrobné sledování kvality ovzduší v Salt Lake Valley. Odhalením hyperlokálních ohnisek znečištění a zdůrazněním problémů environmentální spravedlnosti tento výzkum znamená významný pokrok v pochopení a řešení nerovnoměrného dopadu městského znečištění ovzduší.
V údolí Salt Lake Valley auta vybavená pokročilými nástroji pro měření kvality ovzduší, podobnými vozidlům Google Street View, projížděla čtvrtěmi, aby shromáždila velmi podrobné údaje o kvalitě ovzduší. Tento komplexní odběr vzorků odhalil zřetelné rozdíly v úrovních znečištění v různých místních oblastech. Kromě toho byla vyvinuta nová technika modelování atmosféry, která přesně určí zdroje těchto emisí znečištění.
V roce 2019 představil tým atmosférických vědců z University of Utah ve spolupráci s Environmental Defence Fund a dalšími partnery inovativní přístup k monitorování kvality ovzduší v údolí Salt Lake Valley. Vybavili dva vozy Google Street View, aby fungovaly jako mobilní detektory znečištění ovzduší, schopné identifikovat hyper-lokální ohniska znečištění.
Během následujících měsíců John Lin, profesor atmosférických věd na univerzitě, vyvinul průkopnickou modelovací techniku. Tato metoda kombinovala modelování vzorů větru a statistickou analýzu ke sledování znečišťujících látek zpět k jejich přesným zdrojům. Tato technika poskytla úroveň podrobností při sledování znečištění, která předčila širší, méně přesné metody tradičního monitorování kvality ovzduší, které typicky hodnotilo kvalitu ovzduší v celých městských oblastech.
Ve studii vedené U- and Environmental Defense Fund (EFD), která byla nedávno publikována v časopise Atmosférické prostředí, výsledky jsou zde.
„S mobilními vozidly je můžete doslova poslat kamkoli, kam mohou jet, aby zmapovali znečištění, včetně zdrojů, které se nacházejí mimo silnice a které předchozí sledování minulo,“ řekl Lin, který také působí jako přidružený ředitel Wilkesova centra pro vědu o klimatu a Politika. “Myslím, že myšlenka potulného strážce by byla docela proveditelná pro mnoho měst.”
Google Street Car nabitý přístroji pro kvalitu ovzduší. Kredit: Logan Mitchell
Výzkumníci naplnili vozidla přístroji pro kvalitu ovzduší a nařídili řidičům, aby procházeli čtvrtěmi vlečnou sítí ulici po ulici, přičemž odebírali jeden vzorek vzduchu za sekundu, aby vytvořili masivní soubor údajů o koncentracích látek znečišťujících ovzduší v údolí Salt Lake od května 2019 do března 2020. Pozorování přinesla mapa dosud nejvyššího rozlišení aktivních bodů znečištění v jemných měřítcích – data zachycovala variabilitu v rámci 200 metrů, tedy zhruba dvou fotbalových hřišť.
„Velkým přínosem je, že existuje velká prostorová variabilita znečištění ovzduší z jednoho konce bloku na druhý. Mohou existovat velké rozdíly v tom, co lidé dýchají, a tento rozsah není zachycen typickými regulačními monitory a politikou, kterou americká EPA používá ke kontrole znečištění ovzduší,“ řekla Tammy Thompsonová, hlavní vědecká pracovnice pro kvalitu ovzduší pro EDF a spoluautorka. studie.
Vzorce kvality ovzduší byly podle očekávání, s vyšším znečištěním v okolí dopravy a průmyslových oblastí. Znečišťující látky byly vyšší ve čtvrtích s nižšími průměrnými příjmy a vyšším procentem černošských obyvatel, což potvrzuje dobře známý problém environmentální spravedlnosti. Tento vzor sleduje svůj odkaz k zásadám redliningu z doby před stoletím, kdy společnost Homeowner’s Loan Corp. vytvořila mapy, které červeným inkoustem načrtly „nebezpečné“ čtvrti. Čtvrť s červenou linkou měla často špatnou kvalitu ovzduší kvůli průmyslovým aktivitám, které existovaly vedle obyvatel, kteří byli často lidmi barvy. Urbanisté zhoršili problémy životního prostředí tím, že mapy použili jako odůvodnění pro výstavbu dálnic a povolení průmyslových podniků v takzvaných nebezpečných oblastech.
„Kvalita ovzduší není nový problém. Existuje už desetiletí a desetiletí a pravděpodobně to bylo mnohem horší, “řekl Lin. „Koridor I-15 navazuje na tyto červeně vyznačené čtvrti. A bohužel existuje značná část výzkumu, který podporuje skutečnost, že čtvrti s redline z doby před 80 lety jsou stále důležité. Ti jsou ve čtvrtích, které se stále potýkají s problémy s kvalitou ovzduší. Dědictví rasové diskriminace stále existuje, protože mají tendenci být nedostatečně investovanými čtvrtěmi.“
Schéma shrnující kroky v novém atmosférickém modelu pro lokalizaci zdroje. Kredit: Lin et. al (2023) Atm. Enviro
Pohled na znečištění ovzduší z úrovně ulice
Přístrojové vybavení na úrovni výzkumu instalované v autech Google Street View měřilo okolní vzduch nasávaný z okolí a rozlišovalo chemické znaky klíčových látek znečišťujících ovzduší, včetně oxidů dusných (NOx) emitovaných automobily, nákladními automobily, nesilničními vozidly a pohonnými jednotkami; černý uhlík (BC) z nedokonalého spalování ze silničních a terénních dieselových vozidel a průmyslových pecí; jemné částice (PM2.5) z prachu nebo popela; a metan, především ze skládky. Výzkumníci nařídili řidičům, aby odebrali vzorky vzduchu z 26 čtvrtí, od industrializovaných oblastí North Salt Lake po obytné oblasti jižně jako Cottonwood Heights a West Jordan. Výzkumníci vybrali čtvrti, které reprezentovaly kontrastní demografické údaje napříč údolím, včetně podílu černošských obyvatel, průměrných příjmů v rozmezí od 34 tisíc do 100 tisíc plus a oblastí, kterým dominovaly průmyslové nebo obytné budovy.
Většina znečišťujících látek vykazovala silný vzorec, který posílil to, co již víme – NOx, PM2.5, BC a CO2 hladiny byly zvýšeny podél dálnic v údolí. Oblasti s vysokými úrovněmi jedné znečišťující látky byly pravděpodobně bohaté na jiné znečišťující látky, a to buď z jednoho zdroje emitujícího více znečišťujících látek, nebo z překrývajících se zdrojů.
Případová studie k testování atmosférického modelu k určení hotspotu emisí PM2.5 poblíž provozu štěrkovny. Obrázek Google Earth v c) ukazuje štěrkovnu – odpovídající buňkám mřížky s nejvyššími korelacemi v b). Kredit: Lin et. al. (2023) Atm Enviro
„Je trochu nudné říkat: ‚No, na silnicích je znečištění.‘ Každý to ví. Že jo? Takže jsme chtěli použít data k nalezení zdrojů mimo silnice,“ řekl Lin.
Autoři testovali Linovu novou metodu atmosférického modelování se dvěma případovými studiemi dobře známých zdrojů znečištění – velkého skládkového zdroje metanu a známého štěrkopískového PM.2.5 zdroj.
Poté použili model k analýze dříve neznámé oblasti zvýšených PM2.5, který se nachází v průmyslové oblasti jižně od letiště Salt Lake City.
Další kroky
Autoři doufají, že další místa využijí novou metodu k identifikaci zdrojů hotspotů znečištění, aby byla jejich města bezpečnější, včetně identifikace dočasných zdrojů, jako jsou úniky plynu, a trvalých zdrojů, jako jsou průmyslové zdroje. Toulavé hlídky by mohly pomoci politikům uzákonit předpisy a efektivněji využívat zdroje ke zmírnění škod způsobených jejich občanům.
Autoři doufají, že využijí atmosférický model pro projekty, jako je Air Tracker, první webový nástroj svého druhu, který pomáhá uživatelům najít pravděpodobný zdroj znečištění ovzduší v jejich sousedství. Air Tracker běží na důvěryhodných vědeckých modelech v reálném čase a ve spojení s údaji o znečištění ovzduší a počasí a vyvinut ve spolupráci s U, EDF a CREATE Lab na Carnegie Mellon University, pomáhá uživatelům dozvědět se více o vzduchu, který dýchají, včetně koncentrací znečištění a jeho potenciálních zdrojů. Air Tracker funguje v Salt Lake City Valley a během několika příštích měsíců bude spuštěn na dalších místech po celé zemi.
„Tato práce má mnoho důležitých aspektů environmentální spravedlnosti,“ řekl Thompson z EDF. „Musíme být schopni porozumět tomu, jak vypadá průměrné znečištění ovzduší v různých komunitách, a pak pochopit, proč existuje variabilita a proč existují horká místa, a tedy co s tím můžeme dělat. Je to opravdu, opravdu důležité, protože se stále více dozvídáme o nespravedlnosti ve znečištění ovzduší a o tom, co dýcháme po celé zemi.“
Odkaz: „K identifikaci hyperlokálních zdrojů znečišťujících látek ve městech kombinací mobilních měření s modelováním atmosféry“ od Johna C. Lina, Bena Fasoliho, Logana Mitchella, Ryana Barese, Francescy Hopkinsové, Tammy M. Thompsonové a Ramóna A. Alvareze, 2. srpna 2023 , Atmosférické prostředí.
DOI: 10.1016/j.atmosenv.2023.119995
Výzkum využil zdroje Centra pro vysoce výkonné výpočty v U pro výpočet prostorového rozložení znečištění a vývoj metodiky pro lokalizaci zdrojů emisí.
Dalšími autory článku jsou Ben Fasoli z U’s Department of Atmospheric Sciences, Logan Mitchell z Utah Clean Energy, Ryan Bares z Utah Department of Environmental Quality, Francesca Hopkins z Department of Environmental Sciences na University of California, Riverside a Ramón Alvarez z Fondu ochrany životního prostředí.
Studie byla financována Fondem ochrany životního prostředí.
Experiment ve výzkumném středisku CERN nyní dokazuje, že část jemného prachu vzniká dříve nepoznaným mechanismem: při nízkých teplotách je sekundární k čpavku a kyselině dusičné produkované z oxidů dusíku. Oba jsou látky znečišťující ovzduší, které se ve velkých městech uvolňují především silniční dopravou. Tento vzdělávací mechanismus vysvětluje, proč zimní smog často naměří více jemného prachu, než by měl být.
Částice jsou celosvětovým problémem. Drobné částice o velikosti menší než několik mikrometrů jsou zdraví škodlivé a mohly by být zodpovědné za miliony úmrtí po celém světě. Jen v Evropě lze přibližně třetinu všech případů astmatu u dětí připsat částicím. Zároveň ultrajemné jemné prachové částice působí jako kondenzační jádra pro mraky. Jemný prach může vznikat i přírodními procesy, ale velká část dnes pochází z antropogenních zdrojů. Částice, které jsou menší než 2.5 mikrometru, se primárně uvolňují přímo prostřednictvím spalovacích procesů, například v motorových vozidlech nebo topných systémech. Hovoří se o primárních částicích. Drobné částice však mohou vzniknout i sekundárně přidáním látek znečišťujících ovzduší k nanočásticím, které se již ve vzduchu vznášejí. Zejména u zimního smogu v městských aglomeracích tvoří tento sekundární jemný prach významnou část znečištění.
Rychlý růst částic v mlžné komoře
Známé mechanismy vzniku však mohou vysvětlit pouze část znečištění jemným prachem naměřeným ve velkých městech. Zejména v asijských megaměstech Wintersmog často naměří vyšší hladiny ultrajemného prachu, než by tam mělo být. Protože podle běžného názoru nejmenší podíly jemného prachu nevydrží dlouho: Nanočástice o velikosti menší než deset nanometrů se rychle přichytí na větší suspendovanou hmotu, což by mělo snížit hustotu částic, vysvětluje Mingyi Wang z Carnegie Mellon University v Pittsburgh a její kolegové. Proto mluvíte o „údolí smrti“ pro tyto velikosti jemného prachu. V experimentu ve výzkumném středisku CERN poblíž Ženevy nyní vědci zkoumali, odkud by se mohl další ultrajemný prach vzít. V oblačné komoře experimentu CLOUD simulovali podmínky, které panují v ulicích velkoměsta při zimním smogu. Za těchto povětrnostních podmínek leží teplá vrstva vzduchu jako přikrývka nad chladnější, hlubší vzduchovou hmotou a brání jí ve stoupání a promíchávání vzduchu. Výsledkem je, že výfukové plyny z dopravy, domácností a dalších zářičů zůstávají uvězněny v kaňonech ulic a koncentrují se tam.
Experimenty ukázaly, že na rozdíl od očekávání vzdušné nanočástice „nepolykají“ většími, ale zůstávají za určitých podmínek – a stávají se pak zárodky ultrajemného prachu. K tomu dochází vždy, když se dvě látky znečišťující ovzduší – čpavek a kyselina dusičná, vzniklé z výfukových plynů automobilů, dočasně silně hromadí v pouličním ovzduší. Doposud se mělo za to, že tyto dvě znečišťující látky hrají při tvorbě částic pouze pasivní roli, “říká Jasper Kirkby, vedoucí experimentu CLOUD v CERNu. Jak však tým zjistil, tyto znečišťující látky se vážou na nanočástice, tvoří dusičnan amonný a vedou k tomu, že částice přerostou do ultra jemného prachu. „Zjistili jsme, že tyto nanočástice rostou velmi rychle během několika minut,“ říká Joachim Curtius z Goethe University Frankfurt. Míra růstu je v některých případech 100krát vyšší, než je dosud známo. Výsledkem tohoto procesu je hustý smog jemného a ultrajemného prachu, který v zimě vytváří „hustý vzduch“, zejména ve velkých asijských městech.
Zimní smog a tvorba oblačnosti
„V městských metropolitních oblastech tak proces, který jsme pozorovali, významně přispívá k tvorbě jemného prachu v zimním smogu,“ říká Curtius. I když místní koncentrace dvou látek znečišťujících ovzduší často trvají jen několik minut, kvůli rychlému růstu částic to stačí ke zvýšení smogu. Podmínky pro tento nově objevený mechanismus jsou zvláště příznivé v zimě. „Protože proces probíhá pouze při teplotách nižších než asi plus pět stupňů Celsia,“ vysvětluje Curtius. Pokud je vzduch teplejší, částice jsou příliš těkavé a nezůstanou stabilní dostatečně dlouho na to, aby přerostly v jemný prach. Aby bylo možné účinně bojovat proti zimnímu smogu, zejména v megaměstech Asie, která jsou stále silně postižena, měly by se emise oxidů dusíku – prekurzorů kyseliny dusičné – a amoniaku více snížit. „Emise oxidů dusíku jsou již kontrolovány, ale to není případ čpavku,“ říká Kirkby. “Emise této znečišťující látky by se mohly s nejnovějšími katalyzátory v benzinových a naftových vozidlech dokonce zvýšit.”
K této tvorbě aerosolových částic z amoniaku a kyseliny dusičné však pravděpodobně nedochází pouze ve městech a metropolitních oblastech, ale může se odehrávat i ve vyšších vrstvách atmosféry, jak vědci vysvětlují. Hlavní hnací silou je amoniak, který se vyrábí v zemědělství. Do horní troposféry se dostává stoupavými proudy vzduchu z přízemního vzduchu a mísí se tam s kyselinou dusičnou, která vznikla bleskem z dusíku ve vzduchu. “Při nízkých teplotách, které tam panují, se tvoří nové částice dusičnanu amonného, které hrají roli jako kondenzační jádra při tvorbě mraků,” vysvětluje Armin Hansel z University of Innsbruck. Nově identifikovaný mechanismus je tedy relevantní i pro vývoj klimatu.
