Авторы: Виктор Матасов, Александр Викулов
Городское озеленение выполняет важные экосистемные функции и улучшает благополучие горожан. Одна из таких функций – регулирование концентрации тонкой пыли в воздухе путём осаждения её на поверхности листа, снижение скорости ветра, переносящего пыль и, в конечном счёте, её задержание. Пыль является одним из основных загрязнителей воздуха в городах и промышленных зонах. Главные источники антропогенных частиц пыли – выхлопные газы, промышленные предприятия, а также строительство. Кроме того, из-за трения автомобильных шин и дорожного покрытия в воздух попадают частицы асфальта и резины и это также существенный фактор загрязнения атмосферы.
Пыль размером РМ10
Два основных типа пыли, которые представляют особый интерес с точки зрения здоровья человека, это пыль размера PM10 и PM2.5. Пыль PM10 является одним из видов мелкодисперсной пыли, которая состоит из частиц размером менее 10 микрометров (мкм). Для сравнения это в 100 раз меньше, чем человеческий волос. Эта пыль является очень мелкой и может легко проникать в легкие, вызывая различные заболевания. Она образуется в результате промышленных выбросов, автомобильных выхлопов, сжигания биомассы и других источников. Она может оставаться в воздухе в течение длительного времени и переноситься на большие расстояния.
Состав пыли PM10 зависит от условий происхождения пыли. Например, городская пыль в основном содержит больше частиц асфальта и сажи, в то время как сельскохозяйственная пыль содержит частицы почвы и пестицидов. Попадание пыли PM10 в лёгкие может вызвать различные проблемы со здоровьем, включая раздражение носа и горла, астму и хроническую обструктивную болезнь лёгких (ХОБЛ). Длительное воздействие может привести к развитию рака лёгких. Контроль над пылью PM10 важен для поддержания качества воздуха и здоровья населения и сотрудников на производстве.
Помочь уменьшить концентрацию пыли PM10 в воздухе может использование фильтров для очистки воздуха, озеленение городов, контроль промышленных выбросов и улучшение дорожного движения.
Пыль размером РМ2.5
Существует и более мелкая пыль — частицы PM2.5 имеют диаметр менее 2.5 микрометра. Они могут проникать более глубоко в лёгкие и оставаться там, что делает их особенно опасными для здоровья. Эти частицы вызывают такие заболевания как астма, бронхит, сердечно-сосудистые заболевания и даже рак лёгких. Они также могут ухудшить качество воздуха, делая его более трудным для дыхания. Они могут оставаться в воздухе в течение длительного времени и распространяться на большие расстояния, что делает контроль над ними сложной задачей. Для борьбы с частицами PM2.5 промышленные предприятия могут принимать меры по снижению их выбросов, улучшая фильтрацию, используя более чистые источники энергии и изменения технологии производства.
Мониторинг состояния воздуха
Существуют системы государственного мониторинга качества воздуха, такие как Мосэкомониторинг. С повышением доступности технологий последнее десятилетие стал развиваться гражданский мониторинг состояния городской среды – появились проекты Nebo, Москва.Дыши и т.п. Волонтёрские системы измерений пыли чуть менее точны, зато позволяют покрыть более детальной сетью городскую среду.
В рамках участия специалистов научного центра SUNLAB в фестивале «Атмосфера», проходившем в Екатеринбурге в августе этого года, было принято решение показать влияние озеленения на качество воздуха. Для этого в течение пяти суток проводился мониторинг содержания тонкой пыли PM2.5 и PM10 с помощью двух типов датчиков, расположенных в нескольких точках. Ниже расскажем подробно об этом эксперименте.
Размещение датчиков
Измерения проводили в пяти точках. Первые три располагались внутри паркового пространства, четвёртая в непосредственной близости к дороге и без каких-либо растительных преград, а пятая точка была в густой кроне средневозрастных клёнов, но тоже близко к дороге. Третья точка была на продуваемой бровке склона в разреженной растительности. Вторая близко к плотной группе трав и за конструкциями мелкодисперсного полива и многоярусной композицией парка Истоки (Белгород). Первая точка − ближе всех к воде и опорам моста.
Как устроена станция мониторинга пыли
Станция мониторинга пыли содержит следующие компоненты:
- SDS011 − основной датчик станции определяет концентрацию мелкодисперсных частиц PM2,5 и PM10.
- BME280 − датчик температуры, влажности и атмосферного давления.
- NodeMCU − контроллер обеспечивает обработку и отправку данных с датчиков. Оснащён модулем wi-fi для подключения к сети.
Все компоненты соединены кабелями питания и упакованы в корпус со степенью защиты IP65. Благодаря встроенному модулю Wi-Fi датчик может передавать данные в режиме онлайн. Станция может быть подключена к международной сети LuftDaten – SensorCommunity.
Автономный датчик мониторинга пыли
В эксперименте использовался также автономный датчик мониторинга пыли – собственная разработка SUNLAB на основе микроконтроллера esp32. Он является переработанной и улучшенной версией станции мониторинга. Эта модель не требует постоянного подключения к сети и работает от литий-ионных аккумуляторных батарей, а данные записываются на SD-карту внутри датчика. Благодаря этому устройство может использоваться в местах, где отсутствует Wi-Fi соединение. Перспективным этапом развития данной разработки является использование NB-IoT модуля для передачи данных по сетям NB-IoT.
Трое суток мониторинга
В течение трёх суток датчики осуществляли мониторинг концентрации частиц на своих участках. На графиках ниже представлены средние за 20 минут значения концентрации пыли PM2.5 и PM10 за этот период. Значения концентраций датчика «Дорога», а также линия «ПДК 20 минут» отсчитываются по вспомогательной оси, для остальных кривых – по основной. На гистограммах представлены среднесуточные значения концентраций, а также ПДК показателей за сутки.
Полученные данные указывают на предварительное подтверждение гипотезы о поглощении пыли городской зелёной инфраструктурой. Расположенные друг за другом вниз по склону датчики в садах «Истоки» и «Калабаса» указывают на меньшие как среднесуточные, так и мгновенные значения во втором из них, однако, это достигается большим поглощением пыли находящимся выше по склону садом «Истоки». Наименьшие концентрации на датчике в саду «Туган Як» обусловлены совокупностью факторов: расположение на вершине склона вдали от дороги влияет на показатель наравне с поглощением пыли растениями. Показатели датчика, расположенного в небольшом перелеске из трёх взрослых деревьев вблизи дороги (SUNDust_5) в целом превышают концентрации в садах (если исключить локальный пик в саду «Истоки» из-за уникального единичного события, возникшего в период наблюдений), однако, на тот же порядок ниже, чем показания датчика у дороги (SUNDust_4). Из гистограмм видно, что концентрации PM2.5 у дороги превышают таковые за зелёными насаждениями в 20-40 раз, концентрации PM10 – в 40-80 раз.
Средние значения
В сравнении с ПДК, все средние за 20 минут значения для PM2.5 оказываются в пределах нормы, в то время как средние за сутки являются таковыми за зелёными насаждениями. Концентрации у дороги превышают ПДК в 2-2,5 раза. Для частиц PM10 видно чёткое разграничение: и для средних за 20 минут и для среднесуточных значений у дороги наблюдаются существенные превышения ПДК (в 2-5 раз и в 12-15 раз соответственно), а внутри зелёных насаждений все показатели остаются в пределах нормы.
Также графики дают представления о колебаниях концентраций с течением времени. Пиковые концентрации за период наблюдений приходятся на утро и вечер пятницы: время самых больших автомобильных пробок. В субботу и воскресение среднесуточная концентрация существенно снижена по сравнению с пятницей, что можно наблюдать по гистограммам. Также прослеживаются характерные период дня и ночи: снижение концентрации ночью и увеличение концентрации днем.
Выводы эксперимента
Проведённый эксперимент наглядно продемонстрировал следующее:
- Озеленение свою функцию регулирования качества воздуха выполняет, и надо продолжать использовать его именно как часть городской инфраструктуры, а не только как объект рекреации.
- Снижение концентрации РМ10 наблюдается в десятки, а то и в сотню раз. Связано оно может быть не только с растительностью, но и ветровыми потоками с водной глади, рельефом и рядом других факторов, но в двух схожих точках 4 и 5 основное различие именно в наличии озеленения, которое приводит к снижению концентрации.
- Системы автономного и стационарного мониторинга как часть общегородской системы анализа функционирования городской зелёной инфраструктуры – это наше уже довольно близкое будущее, поскольку Интернет вещей, доступность каналов коммуникаций, простота создания таких датчиков и волонтерская наука развиваются очень быстро.
- Создание открытых лабораторий устойчивого развития городской среды, за которым жители смогут не только следить, но и в нём участвовать – возможный формат развития взаимодействия бизнеса, властей и горожан с природой. Будем надеяться, что через год мы увидимся на площадке Атмофеста, покажем большее число технологий, проведём мастер-классы по сбору таких датчиков, анализу данных с них, и, может быть, в жюри по оценке экосистемных услуг ландшафтных садов в одной из номинаций будут IoT-сенсоры.
