以色列開發(fā)新型無線傳感器監(jiān)測空氣污染
冠狀病毒大流行期間,由于減少了空氣污染物的排放,我們周圍的空氣質(zhì)量得以改善。這是因為全球范圍內(nèi)的封鎖和關(guān)閉導(dǎo)致能源消耗,運輸使用和石油需求的減少。例如,根據(jù)五月份發(fā)表在多學(xué)科雜志《空氣質(zhì)量,大氣與健康》上的一項研究,在中國,二氧化氮的排放量在一月至二月之間下降了70%。在印度,則減少了20-30%。
發(fā)表在以色列科學(xué)雜志“生態(tài)與環(huán)境”的最新研究報告顯示,污染物排放量下降了3%至13%(分別針對硫和苯氧化物),主要是由于汽車,火車的和船流量的減少。在特拉維夫,海法和耶路撒冷等密集的城市中心,在交通監(jiān)測站測得的二氧化氮濃度也降低了49-61%。
從環(huán)境和公共衛(wèi)生的角度來看,這些數(shù)字都很重要,即使COVID-19大流行繼續(xù)造成慘重的損失。
隨著限制開始放寬,甚至是零星地散開,各國都在尋求經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇,我們很可能會看到污染水平回升,帶來了可怕的后果。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù),每年有420萬人死于環(huán)境(外部)空氣污染。專家估計,僅在以色列,空氣污染就是造成每年2,000人過早死亡的原因。
因此,監(jiān)測空氣污染非常有必要。
如何收集環(huán)境數(shù)據(jù)?
國家空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) 包括遍布以色列的140多個空氣監(jiān)測站,由不同的環(huán)境協(xié)會,地方當(dāng)局,以色列電力公司,工廠和環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合運營。法規(guī)規(guī)定必須至少在12米的高度進(jìn)行測量,這就是為什么通常在很高的屋頂或桅桿上可以找到監(jiān)測站的原因。
但根據(jù)Technion土木與環(huán)境工程學(xué)院的Barak Fishbain副教授的說法,監(jiān)視站位于較高的高度,而不是“從地面”靠近地面,因而這使收集的數(shù)據(jù)不太準(zhǔn)確。
“從污染物排放(例如從汽車排放)到達(dá)到這些高度之前,化學(xué)過程已經(jīng)完全改變了該物質(zhì)的成分。因此,我們的測量值與呼吸之間的關(guān)系不足以使我們得出關(guān)于空氣污染與發(fā)病率之間關(guān)系的明確結(jié)論?!?/p>
Fishbain認(rèn)為,常規(guī)測量的另一個問題是大多數(shù)監(jiān)視站主要位于居民區(qū)。因此,大多數(shù)污染物都無法從源頭進(jìn)行測量,即在工業(yè)園區(qū)或工廠和發(fā)電廠所在的區(qū)域。如果將傳感器放置在遠(yuǎn)離污染源的位置,則可獲得較低的測量值。
“此外,當(dāng)有害污染物泄漏到環(huán)境中,而您想查明泄漏來源的工廠時,則沒有辦法。這些傳感器不在工廠附近,因此不可能追蹤泄漏的源頭?!?/p>
此外,F(xiàn)ishbain指出,基于模型構(gòu)建空氣污染圖是很常見的。
這些模型在涉及大比例尺地圖(例如整個以色列國或整個海法灣)時是準(zhǔn)確的,但是在涉及單個社區(qū)或街道等小區(qū)域時,常規(guī)模型不再適用。在這種情況下,專家使用插值方法[一種允許從現(xiàn)有數(shù)據(jù)集而不是模型中生成新信息的技術(shù),“ Fishbain解釋說。“問題在于插值是一種數(shù)學(xué)方法,沒有考慮到污染物的化學(xué)和物理行為?!?/p>
較小的傳感器和更新的算法
為了更好地了解實際的空氣污染水平,F(xiàn)ishbain和他的實驗室開發(fā)了一種新型的廉價,低成本無線傳感器,可以輕松大規(guī)模地進(jìn)行分配。
Fishbain教授開發(fā)了低成本的無線傳感器來監(jiān)測空氣污染。照片:達(dá)娜?德拉勒(Dana Drahler)
“這些傳感器很小,只有煙盒大小,因此它們很便攜,可以放在口袋里。任何人都可以在任何地方使用這些傳感器之一,并進(jìn)行自己的測量。傳感器在人站立的確切位置檢測污染水平,不僅為用戶提供了更真實的空氣污染測量值,而且還提供了更好的暴露評估,”他強(qiáng)調(diào)說。
在開發(fā)便攜式傳感器之前,F(xiàn)ishbain還使用相同的技術(shù)創(chuàng)建了固定基礎(chǔ)設(shè)施,作為研究的一部分。該項目包括在海法的Neve Sha'anan鄰里部署一個小型傳感器網(wǎng)絡(luò),以測量該地區(qū)不同街道的空氣污染程度。這項研究本身是一個名為CITI-SENSE的大型歐洲項目的一部分,該項目的主要目的是讓公眾意識到他們所在城市的空氣質(zhì)量。
但是,菲什班和他的團(tuán)隊并沒有為他們的“臉部水平”傳感器的分配做好準(zhǔn)備。科學(xué)家們還開發(fā)了一種指定的算法,該算法將模型方法與插值方法結(jié)合在一起,可以應(yīng)用于傳感器獲得的數(shù)據(jù)。
Fishbain認(rèn)為,新算法使創(chuàng)建更準(zhǔn)確的空氣污染圖成為可能。
“一旦您建立了模型,并利用其與污染物的物理和化學(xué)相關(guān)的能力,并將其與能夠解決小范圍細(xì)微差別的插值方法聯(lián)系起來,它們的結(jié)合就會產(chǎn)生一種算法,該算法可以構(gòu)建能夠?qū)⒕_的圖考慮到高度復(fù)雜的化學(xué)和物理性質(zhì),” Fishbain解釋說。
用這種方法創(chuàng)建的空氣污染圖對于監(jiān)管目的可能變得至關(guān)重要,因為它們可以檢測污染物源,這將使對工廠和負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé),并使確保更好的空氣質(zhì)量變得更加容易。
最后,通過正確應(yīng)用新地圖中的數(shù)據(jù),將有可能獲得有關(guān)特定空氣污染物濃度與發(fā)病率之間關(guān)系的更準(zhǔn)確信息。這些發(fā)現(xiàn)可以大大促進(jìn)空氣污染和公共衛(wèi)生的研究領(lǐng)域。