В любой момент в Дели, Индия, житель может начать свой автомобиль, выпускать выхлопные газы, который плавает в атмосфере. В Северо-Западной Индии, крестьянин мог поджечь его поля после уборки пшеницы, чтобы очистить его быстро, выпуская дым, который будет унесен ветром. Небольшая семья может сжечь дерево, чтобы зажечь плиту, выпуская сажи в небо. Дели, город, который имеет население свыше 28 млн. жителей, кипит в любое время дня и ночи. И как он растет — его загрязнение.
Загрязнение, которое иногда проявляется как густой смог, респираторные заболевания и болезни, находится в центре внимания многих, которые надеются выявить и ликвидировать источники. Но чтобы сделать это качественно, загрязнения должны быть отслежены исследования-оценка качества воздуха мониторы, которые измеряют загрязняющих веществ, включая твердые частицы, двуокись серы, двуокись азота, озон, и более, которые могут стоить до сотни тысяч долларов.
Низкая стоимость датчиков, которые недавно начали продаваться, предлагаем ученых, политиков и общественности возможность для выявления загрязнения без высоких накладных расходов, но не без некоторых компромиссов. Джесси Кролл, профессор в отделах МТИ Гражданской и инженерной экологии и химического машиностроения, исследований, инструментов и методов, используемых для проведения исследований в области химии атмосферы. “С точки зрения почти каждого измерения метрическая точность, точность, чувствительность, помех, дрейфа и т. д. — низкая стоимость датчиков далеки от того, что исследование-класс оборудования может поставить”, — говорит он. “Это серьезное ограничение, но обычно это не ясно по датчик производителями”.
В результате, говорит Кролл, использование недорогих датчиков для обнаружения загрязнений остается слабо изучен. Но ниже датчиков стоимость, низкое потребление энергии и небольшие размеры стимулировать их принятия, поэтому их использование значительно расширилась в течение последних нескольких лет в таких странах, как Китай и Индия. “Использование этих инструментов действительно опережают наши усилия, чтобы понять, какие данные на самом деле означает”, — говорит Кролл.
Задачи уточнить и расширить возможности недорогих датчиков загрязнения обнаружение вдохновил недавно опубликованном исследовании, возглавляемая Кролл и аспирант Дэвид Кагана, в котором сравнивали эффективность низкая стоимость датчиков с исследовательского оборудования в Дели — и нашли новую способность устройства.
В Индии Технологический институт Дели кампуса исследовательского инструментария уже пробы воздуха с четвертого этажа здания в Хауз ХАЗ, настраивается и поддерживается Кролл и Хейгена коллаборационистов, Джош Сиддхартха и Леа Хильдебрандт из Техасского университета в Остине. “Мы ухватились за эту возможность, чтобы иметь возможность разместить наши инструменты, с ними, чтобы доказать, насколько хорошо наши могли работать”, — говорит Каган. Но это было нелегко: в Дели, говорит он, уровень твердых частиц были настолько высоки, что их датчики будут легко правила, и датчики рисковал перегрева в жаркие дни. “Проектирование вокруг, что это увлекательная инженерная задача”, — говорит Каган.
После преодоления этих проблем, низкая стоимость датчиков и научно-классе мониторов побежали одновременно в течение шести недель в зимний период 2018, отбор проб воздуха из четвертого этажа лаборатории. Проанализировав данные, исследователи обнаружили, что низкая стоимость датчиков, которые измеряют как газы и частицы, не только захватила большую картину качества воздуха и загрязняющих веществ, а также может быть использована для определения источников загрязнения, даже те, что датчики не могут обнаружить напрямую.
Путем применения тип многомерного анализа называется неотрицательная матричная факторизация, исследователям удалось определить, расхлебывать, и определить источники, которые способствовали полному сигнал обнаруживается низкая стоимость датчиков, и сравнить эти результаты более детальных измерений, собранных исследовательским класса мониторов.
Этот анализ показал, что суммарный сигнал, состоящий из фактора внутреннего сгорания, а также двумя другими факторами, и характеризуется частиц из воздуха. Частицы сгорания, которые составляют большую часть суммарных твердых частиц, слишком малых, чтобы быть обнаружены с помощью самих датчиков, но датчик измерения других выбрасываемых загрязняющих веществ, таких как окись углерода, позволили им быть, тем не менее, сделать вывод.
“Эти недорогие датчики могут быть использованы для более, чем просто делая обычные замеры, и на самом деле могут быть использованы для определения источников загрязнения, которые могут привести к лучшему пониманию того, что мы дышим”, — говорит Каган.
Даже более того, данные, собранные с помощью недорогих датчиков захватили достаточно информации об окружающем Дели загрязнения, что исследователи могли различать первичные источники загрязнения, или напрямую-частиц, а также вторичных источников, эти частицы образуются с помощью химических реакций после выбросов в атмосферу.
Эту информацию можно было легче понять, как качество воздуха варьируется по всему миру. “Одна из сильных дешевых датчиков в том, что они могут предоставить информацию о качестве воздуха и источников загрязнения в местах, которые недостаточно изучены и многие из этих мест, таких как города в развивающихся странах, как правило, имеют одни из худших загрязнения в мире”, — говорит Кролл.
“Используя эти недорогие датчики, мы можем действительно понять пространственно-временную неоднородность загрязнения воздуха и воздействия на человека”, — говорит Каган. “Что гораздо важнее, как люди на самом деле живут своей жизнью”.
Результаты уже вдохновил будущих исследований. “Это важный первый шаг в улучшении качества городского воздуха”, — говорит Кролл. “Мы хотим увидеть если мы можем распространить его на другие среды и других видов загрязнения. Это касается не только других загрязненных городов, но и относительно чистых, таких как Бостон”.
Это исследование было поддержано Тата Центре технологий и дизайна в MIT.
