Due sensori nella più grande rete di monitoraggio della qualità dell'aria del black carbon mai installata in una singola città, con una densità spaziale circa 100 volte maggiore rispetto alle tradizionali reti regolatorie. I livelli più bassi di black carbon sono stati costantemente registrati in siti come quello nella foto, sopravento delle autostrade e della maggior parte delle attività industriali. Credito:Chelsea Preble/Berkeley Lab
carbonio nero, comunemente noto come fuliggine, contribuisce in modo significativo al riscaldamento globale ed è fortemente legato agli esiti negativi per la salute. Prodotto dalla combustione incompleta di combustibili emessi da grandi camion, treni, e navi marine:è un inquinante atmosferico di particolare interesse per i residenti nelle aree urbane. I sensori oggi disponibili sul mercato sono costosi, rendendo difficile il tracciamento del carbonio nero.
Ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab), collaborando con l'UC Berkeley, hanno sviluppato un nuovo tipo di rete di sensori che è molto più conveniente ma in grado di tracciare questo particolato. Con più di 100 sensori personalizzati installati in tutto il West Oakland per 100 giorni, il team ha creato la più grande rete di monitoraggio del carbonio nero da implementare in una singola città.
Una descrizione completa della rete per la qualità dell'aria 100×100 è stata pubblicata sulla rivista Scienze e tecnologie ambientali .
Generazione di una nuova tecnologia per monitorare l'inquinamento atmosferico
Il progetto è stato lanciato per affrontare una preoccupazione persistente nella comunità:la necessità di strumenti migliori per monitorare il black carbon nel tempo e nello spazio. Ampliando la ricerca precedente al Berkeley Lab, il team ha affrontato questa sfida costruendo l'Aerosol Black Carbon Detector (ABCD). "Abbiamo generato una tecnologia che non esisteva per rendere visibile questo problema invisibile, " disse Thomas Kirchstetter, che guida la Divisione Analisi Energetica e Impatti Ambientali presso Berkeley Lab, ed è professore a contratto di ingegneria civile e ambientale presso la UC Berkeley.
Piccolo ed economico, l'ABCD è un monitor compatto della qualità dell'aria in grado di misurare la concentrazione di nerofumo in un campione d'aria. "Dovevamo creare un sensore che fosse accurato quanto di alta qualità, strumentazione costosa, ma a un costo abbastanza basso da poterne distribuire 100 in tutta la comunità, " ha affermato Kirchstetter. Grazie alle innovazioni progettuali sviluppate dal coautore Julien Caubel durante la sua ricerca di dottorato, che aiutano i sensori a resistere alle variazioni di temperatura e umidità, l'ABCD può produrre dati affidabili se lasciato all'aperto per lunghi periodi di tempo. I materiali per ogni ABCD costano meno di $500. In confronto, gli strumenti disponibili in commercio che misurano il black carbon costano molte migliaia di dollari.
Una rete ben distribuita
La flotta di sensori è stata distribuita in tutta West Oakland, un quartiere residenziale/industriale ad uso misto di quindici chilometri quadrati circondato da autostrade e influenzato dalle emissioni del porto di Oakland e da altre attività industriali. Sei categorie di uso del suolo sono state designate per il posizionamento dei sensori:sopravento, Residenziale, industriale, vicino all'autostrada, Itinerario Camion, e località portuali. "Era importante costruire una rete ben distribuita nel quartiere per catturare i modelli di inquinamento, " ha detto il coautore Chelsea Preble, un affiliato del Berkeley Lab e ricercatore post-dottorato presso l'UC Berkeley. Attraverso una collaborazione con il West Oakland Environmental Indicators Project (WOEIP), Fondo per la difesa ambientale, Distretto di gestione della qualità dell'aria della Bay Area, e porto di Oakland, gli scienziati hanno reclutato membri della comunità disposti a ospitare i sensori di carbonio nero fuori dalle loro case e aziende. "La nostra partnership con WOEIP, in particolare lavorando con la signora Margaret Gordon e Brian Beveridge, è stato fondamentale per il successo dello studio, " disse Preble.
Per tracciare i singoli sensori in tempo reale, compreso il loro stato operativo, e raccogliere misure, il coautore Troy Cados ha creato un sito Web e un database personalizzati. Ogni ora, i dispositivi hanno inviato le concentrazioni di carbonio nero al database utilizzando 2G, la rete mobile senza fili. Lo studio ha prodotto circa 22 milioni di righe di dati, fornendo approfondimenti sulla natura dell'inquinamento atmosferico su scala locale. Ora disponibile per il download, i dati vengono utilizzati anche da collaboratori di UC Berkeley, il distretto di gestione della qualità dell'aria della Bay Area, e altre istituzioni per migliorare gli strumenti di modellazione dell'inquinamento atmosferico.
I sensori costruiti per questo progetto sono stati installati al di fuori delle case e delle attività commerciali in tutto il West Oakland per registrare come le concentrazioni di carbonio nero variassero nello spazio e nel tempo. Credito:Chelsea Preble/Berkeley Lab
Trasformare gli inquinanti invisibili in dati
Come funzionavano questi dispositivi? L'ABCD aspirava l'aria attraverso un filtro bianco, dove si depositavano le particelle di carbonio nero. I componenti ottici nel sensore misuravano periodicamente la quantità di luce trasmessa attraverso il filtro oscurante. La concentrazione di carbonio nero nell'aria si basava su quanto il filtro si era scurito nel tempo. Questa tecnica, sviluppato diversi decenni fa da Berkeley Lab e ora disponibile in commercio, servito come base per le innovazioni in questo studio.
Nell'ovest di Oakland, i ricercatori hanno scoperto che il black carbon variava nettamente su distanze di appena 100 metri e intervalli di tempo di appena un'ora. I livelli più alti e più variabili sono stati associati all'attività dei camion lungo Maritime Street, tipicamente basso nelle ore prima dell'alba quando il porto di Oakland era chiuso e con un picco all'inizio dell'attività, verso le otto del mattino. Le più basse concentrazioni di black carbon nell'area di studio sono state registrate la domenica, quando l'attività del camion è in genere più bassa, e nei siti di bolina vicino alla baia, a ovest delle autostrade e dell'attività industriale della città. La maggior parte dei sensori è stata in grado di raccogliere dati sufficienti per stabilire modelli di inquinamento durante i primi 30 giorni dello studio, suggerendo che studi simili e più brevi potrebbero fornire ad altre comunità informazioni preziose sulla qualità dell'aria.
Per la prima volta, una fitta rete di monitoraggio ha registrato i livelli di carbonio nero in tutta West Oakland, producendo medie orarie (a) e medie giornaliere (b). Le più alte concentrazioni, mostrato in rosso, in genere si è verificato dove il traffico di camion è più intenso, per esempio lungo Maritime Street (a ovest delle autostrade, dove i sensori sopra formano una forma a "L"). Credito:Berkeley Lab
Collaborare con le comunità per far progredire la scienza del monitoraggio
"Questa ricerca è un esempio di come un laboratorio nazionale può avere un impatto significativo lavorando con le comunità, " ha detto Kirchstetter. "Abbiamo lavorato per affrontare una preoccupazione che hanno da tempo e abbiamo fornito dati che descrivono come varia l'inquinamento in tutto il quartiere, che può essere utilizzato per sostenere un'aria più pulita, " ha detto. Il team sta attualmente lavorando per far progredire questa tecnologia, rendendolo più robusto e più facile da usare in modo che possa essere distribuito per periodi di tempo più lunghi in altre posizioni.
"Siamo stati a lungo coinvolti nella generazione di tecnologie di rilevamento dell'inquinamento atmosferico, " disse Kirchstetter, il cui mentore, Tica Novakov, ha iniziato il campo della ricerca sul carbonio nero ed è stato fonte di ispirazione per questo lavoro. "Berkeley Lab ha esperti in qualità dell'aria e scienze dei materiali, e può promuovere la scienza dei sensori per continuare questo percorso in avanti, " ha detto. Dal completamento del progetto, Cados e Caubel hanno fondato una start-up per sviluppare queste tecniche e renderle più facilmente disponibili.
