Всемирное внимание к каждой мелочи

Можно ли уследить за загрязнением воздуха по всей Земле, если начать с отдельных улиц, районов, городов? Ответ на этот вопрос ищут в совместном проекте CityAir две технологические компании «Тион» и Uniscan Research, созданные выпускниками Новосибирского государственного университета и сотрудниками институтов новосибирского Академгородка.

Знать, чем именно загрязнен воздух в российских городах и насколько сильно — чрезвычайно важно. Есть и другие любопытные вопросы о чистоте воздуха, например, где он лучше, на верхних этажах или на нижних? Новосибирские предприниматели отвечают: если мимо дома проехала машина, то на первых этажах воздух будет хуже лишь несколько секунд, а затем все частицы равномерно распределятся в слое высотой 100 м. Очищается ли воздух от пыли во время дождя? После дождя — да, но сначала, ударяясь о землю, капли, наоборот, поднимают в воздух всю пыль.

Вопросов еще масса: какого размера частицы самые вредные для человека — видимые или невидимые? каковы их основные источники? Стоит ли во время крупных лесных пожаров в соседних областях долго находиться на открытом воздухе, если в нем не видно дыма? А главное — где в онлайн-режиме можно посмотреть уровень загрязнения воздуха в каком-либо конкретном месте?

В Лондоне выяснили, что даже незначительное изменение привычного пути человека по пути на работу и обратно может в десятки раз сократить степень вреда его здоровью. Еще полвека назад при строительстве промышленных предприятий в городской черте учитывались выбросы и распределение воздушных потоков — роза ветров. Сегодня существует целый арсенал, чтобы отслеживать качество городского воздуха, быть в курсе имеющихся опасностей и быстро узнавать о внезапном появлении новых.

Ловись, пыль, большая и малая

Компания «Тион» более десяти лет выпускает оборудование для очистки воздуха в помещениях, а теперь занимается еще и измерениями состава и концентрации примесей в воздухе — химических (молекулярных) и механических (твердых частиц). Эту задачу компания изначально решала для закрытых помещений, чтобы понимать, от каких загрязнителей должен очищать воздух устанавливаемый прибор. Теперь дело дошло до открытых городских пространств. За 2018 год в Новосибирске, Москве и Красноярске установлены десятки автоматических станций для измерения состава и количества примесей в окружающем воздухе. Речь идет пока только о частицах пыли и сажи разного размера, но приборы и для измерения молекулярных загрязнений уже разработаны. Их пока не так много, но скоро они также будут устанавливаться в разных городских точках.

— Нигде в мире еще не создана система определения состава воздуха, которая позволяла бы каждому человеку, где бы он ни находился, узнавать, чем он дышит в данный момент,— рассказывает генеральный директор компании «Тион» Дмитрий Трубицын.— Это кажется невозможным, но сделать это совершенно необходимо. Мы надеемся решить эту задачу сочетанием различных методов — от построения «умной» сети измерительных станций до моделирования процессов переноса примесей в атмосфере в региональном масштабе. Сегодня построением моделей занимаются многие институты, лаборатории и целые отделы, однако сделать так, чтобы полученная модель коррелировала с реальностью, очень сложно. Поэтому мы сотрудничаем с различными российскими институтами и научно-исследовательскими группами по всему миру.

Сложность поставленной задачи видна уже на уровне узлов сети мониторинга — малогабаритных автоматических измерительных станций. Станция разработана таким образом, чтобы многочисленные датчики в ней всегда отражали реальное состояние окружающего воздуха, что, как выяснилось, совсем не простая задача. Датчик, работающий сам по себе, вне сложной архитектуры станции, выполняет свою функцию примерно как тот самый сферический конь в вакууме из известного анекдота. Чтобы обеспечить каждому датчику условия, при которых он будет говорить правду и ничего, кроме правды, понадобилась помощь целого штата инженеров-электронщиков из R&D-подразделения компании Uniscan Research. В частности, одна из задач грамотного измерения — обеспечить поступление к датчикам частиц нужного размера: не допустить попадания крупного песка или града, не дать фильтрам забиться мелкими частицами, которые должны попасть на детектор. Это оказалось намного сложнее, чем фильтрация в системах воздухоочистки, где не нужно измерять, сколько и каких вредных примесей осело на фильтрах.

— Для создания необходимого аэродинамического эффекта нужно было сделать специальные каналы внутри прибора, чтобы ненужные частицы отсекались,— рассказывает директор по развитию компании Uniscan Research Антон Рядинский.— На показания датчиков влияют и влажность, и температура, и атмосферное давление. Чтобы адекватно считывать с них информацию уже с поправкой на эти погрешности, нужны алгоритмы обработки целого массива данных. Мы снабдили станцию CityAir системами автономного питания и радиосвязи по мобильным сетям, а также Wi-Fi-передатчиком, а ее корректную работу при отрицательных температурах обеспечивает система подогрева воздуховодов и термоизоляция корпуса.

— Большинство установленных станций измеряют количество взвешенных в воздухе частиц размером от нуля до 2,5 микрона и до 10 микрон,— сообщает Дмитрий Трубицын.— Наиболее вредные имеют размер до 2,5 микрона, и именно они составляют 80% всех измеряемых частиц. Основные источники такой мелкодисперсной пыли — сажа из выхлопных газов автомобилей и мельчайшие частицы резины от истираемых о дорогу автопокрышек. Это очень легкая фракция частиц, которая обладает высокой летучестью, легко проникает в дыхательные пути человека и равномерно распределена в приземном слое высотой примерно до 100 м. Быстро очистить от нее мегаполисы может только сильный шквальный ветер, который хоть и поднимает с земли всю крупную пыль, зато уносит из городов самую вредную — мелкую.

Взгляд из космоса

Установить дорогостоящие станции на всех улицах — непосильная задача для небольшой компании. Но есть и другие, более хитрые и изощренные, зато недорогие способы получить подробную информацию о состоянии окружающей среды. В сотрудничестве с группой из Массачусетского технологического института (MIT) авторы проекта создают комплекс алгоритмов для получения расчетных данных и моделирования состава атмосферы на участках, которые не контролируются их станциями. Для оценки уровня загрязнения воздуха в городах ученые пытаются использовать дистанционное зондирование атмосферы из космоса. Измеряя интенсивность исходящего от Земли излучения в узких областях спектра, им удается установить общее содержание отдельных составляющих атмосферы на всем пути от поверхности до приемника на спутнике.

Однако общее содержание газов или аэрозольных частиц в атмосферном столбе не всегда дает адекватную оценку качества воздуха в тонком приповерхностном слое, где оно оказывает наибольшее влияние на здоровье людей. Решение этой проблемы нашли американские ученые в середине 1990-х годов. На борту космического аппарата Terra коллектив исследователей под руководством Дэвида Дайнера установил прибор MISR, представляющий собой уникальный комплекс из девяти объективов, непрерывно регистрирующих исходящее от Земли излучение под разными углами. Ученые смогли восстанавливать вертикальный профиль концентрации различных примесей по данным, поступающим с этого прибора.

Прошло 20 лет с запуска MISR, его работа на орбите не прекращается, как и работа исследователей, совершенствующих алгоритмы обработки данных. Исследователь из MIT Приянка де Суза присоединилась к коллективу разработчиков MISR недавно. Прежде она исследовала качество воздуха в Найроби, столице Кении, а сейчас в MIT попыталась сопоставить наземные наблюдения в Найроби и данные MISR. О результатах она докладывала в 2018 году на знаковой конференции в Колумбийском университете, где впервые эксперты со всего мира обсуждали проблематику экстремальных случаев загрязнения воздуха, например смог в Пекине и Дели.

Поскольку полоса съемки MISR составляет всего 36 км, за один год удалось получить менее 30 снимков Найроби. Из-за облачности число годных для обработки снимков оказалось еще меньше. Космический аппарат Terra движется по солнечносинхронной полярной орбите, и чем ближе к полюсам находится точка на поверхности Земли, тем чаще она оказывается в объективах MISR. Вот поэтому американские исследователи и заинтересовались возможностью сопоставить данные автоматических наземных наблюдений в средних широтах с данными дистанционного зондирования. Сеть мониторинга CityAir в Новосибирске мгновенно получает и передает информацию об уровне загрязнения приземного слоя воздуха, в том числе именно в ту минуту, когда город оказывается в объективах MISR. Вместе с MIT авторы проекта анализируют спутниковые фотографии, показывающие уровень концентрации аэрозолей в атмосфере, и сопоставляют эту информацию с данными своих станций. Результатом этих работ станет натренированная, как минимум для Новосибирска, модель, которая по данным со спутников сможет рассчитывать точную концентрацию аэрозолей в приземном стометровом слое воздуха для каждого района города.

Мечты без иллюзий

Любые проекты, связанные с экологией, вызывают обычно два циничных вопроса: каким образом они смогут улучшить окружающую среду и кто за это станет платить?

— Сама по себе задача измерения концентрации аэрозолей и молекулярных загрязнений воздуха в заданной точке не представляет каких-то серьезных проблем при условии, что организатор не ограничен в финансах. Но для построения большой сети мониторинга как раз необходимо было решить вопрос стоимости этих работ,— продолжает Дмитрий Трубицын.— Поэтому мы сотрудничаем с целым рядом организаций. С Институтом химической кинетики и горения СО РАН мы сделали испытательный стенд, в котором генерируются аэрозоли разного размера, например, из соли или силикона, а наши станции фиксируют эти частицы. В сотрудничестве с томским Институтом оптики и атмосферы Земли им. В.Е. Зуева СО РАН, знаменитого своей летающей воздушной лабораторией, оборудованной в самолете, мы сравниваем точность измерений наших станций и их высокоточных наземных стационарных приборов. Связь между состоянием здоровья людей и уровнем концентрации примесей в воздухе — это совместные исследования, которые мы ведем сейчас с Гидрометцентром. В этом проекте мы собираем статистику вызовов скорой помощи в разных районах Москвы и смотрим, как она связана с загрязненностью воздуха.

Никто из разработчиков станций мониторинга воздуха не питает иллюзий насчет скорости решения экологических проблем, поскольку они прочно связаны с проблемами социума. Никто не ждет, что, располагая данными о состоянии уличного воздуха и даже зная о факторах, которые могут улучшить ситуацию, все водители автомобилей пересядут на общественный транспорт.

Но любое изменение поведения начинается с информации. С адекватной и регулярно обновляемой, а не спорадических «зеленых пугалок». Например, если для 10% людей со временем станет очевидна связь между использованием бытовой химии или одноразовой пластиковой тары и уровнем эмиссии в атмосферу парниковых газов и они постепенно начнут воздерживаться от покупки этих товаров — будет широкий шаг в сторону сохранения планеты.

Черное небо — не приговор

Заказчиками по мониторингу загрязнения воздуха сегодня выступают не только производства, но и областные власти, а также строители дорогих элитных объектов, которые заинтересованы в размещении измерительных станций на своих зданиях. Если район чистый, застройщику выгодно это продемонстрировать с научной достоверностью. Если нет — он устанавливает на свой объект центральную систему очистки воздуха и все равно остается в выигрыше, обеспечивая покупателю защищенность от внешних факторов. За счет таких клиентов сеть измерительных станций постепенно расширяется.

Кроме 20 станций мониторинга в Москве и 10 станций в Новосибирске, оборудование для измерений загрязнения воздуха аэрозолями установлено в Красноярске по заказу Красноярского научного центра (КНЦ).

Директор СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН Дмитрий Волков сетует, что в Красноярске очень сложная экологическая ситуация и в неблагоприятные дни нередко можно наблюдать «эффект черного неба», который можно устранить, если выяснить его точную причину. В сотрудничестве с авторами проекта CityAir в Красноярске развернута научно-исследовательская сеть из 24 станций для изучения качества воздуха. Некоторые из них специально были установлены рядом с постами Краевого министерства экологии (Министерство экологии и рационального природопользования Красноярского края), чтобы иметь возможность сопоставить показания. Измерения показали, что результаты с высокой точностью совпадают.

— В отличие от стационарных станций, которые стоят миллионы рублей, портативные системы измерения дают нам возможность построить полноценную распространенную сеть мониторинга,— радуется Волков.— Примерно два года мы будем набирать статистику и информацию о загрязнении воздуха во всех районах Красноярска. В итоге мы определим и аргументированно представим властным структурам основной источник загрязнений на каждой из территорий. И хотя на первый взгляд может казаться, что мы не в силах справиться с этими факторами, на деле это не так. Можно обязать промышленность оборудовать системы переработки лучшими очистными сооружениями. Там, где основным источником загрязнений служит печное отопление, можно принять решение о необходимости газификации района. Вполне реально снизить автомобильный трафик в местах повышенной концентрации выхлопных газов, пересмотреть направления движения, например, грузового автотранспорта и разгрузить наиболее опасные для здоровья жителей дороги. Изменить можно многое, но прежде нужно получить полную детальную картину. Хорошо, что теперь есть такая возможность.

Мария Роговая