Dois sensores na maior rede de monitoramento de qualidade do ar de carbono negro já implantada em uma única cidade, com uma densidade espacial aproximadamente 100 vezes maior do que as redes regulatórias tradicionais. Os níveis mais baixos de carbono negro foram registrados de forma consistente em locais como o da foto, contra o vento das rodovias e da maior parte da atividade industrial. Crédito:Chelsea Preble / Berkeley Lab
Carbono negro, comumente conhecido como fuligem, é um contribuinte significativo para o aquecimento global e está fortemente ligado a resultados adversos para a saúde. Produzido pela combustão incompleta de combustíveis - emitidos por grandes caminhões, trens, e embarcações marítimas - é um poluente do ar que preocupa especialmente os residentes em áreas urbanas. Os sensores disponíveis no mercado hoje são caros, tornando o carbono negro difícil de rastrear.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), colaborando com a UC Berkeley, desenvolveram um novo tipo de rede de sensores que é muito mais acessível, mas capaz de rastrear esse material particulado. Com mais de 100 sensores personalizados instalados em West Oakland por 100 dias, a equipe criou a maior rede de monitoramento de carbono negro a ser implantada em uma única cidade.
Uma descrição completa da rede de qualidade do ar 100 × 100 foi publicada no jornal Ciência e Tecnologia Ambiental .
Gerando uma nova tecnologia para monitorar a poluição do ar
O projeto foi lançado para atender a uma preocupação persistente na comunidade:a necessidade de melhores ferramentas para monitorar o carbono negro no tempo e no espaço. Expandindo a pesquisa anterior no Berkeley Lab, a equipe enfrentou esse desafio construindo o Detector de Carbono Negro em Aerossol (ABCD). “Nós geramos uma tecnologia que não existia para tornar este problema invisível visível, "disse Thomas Kirchstetter, que lidera a Divisão de Análise de Energia e Impactos Ambientais do Berkeley Lab, e é Professor Adjunto de Engenharia Civil e Ambiental na UC Berkeley.
Pequeno e barato, o ABCD é um monitor compacto da qualidade do ar que pode medir a concentração de carbono negro em uma amostra de ar. "Tivemos que criar um sensor tão preciso quanto de alto grau, instrumentação cara, mas com um custo baixo o suficiente para que pudéssemos distribuir 100 deles por toda a comunidade, "disse Kirchstetter. Graças às inovações de design que o co-autor Julien Caubel desenvolveu durante sua pesquisa de doutorado, que ajudam os sensores a resistir a mudanças de temperatura e umidade, o ABCD pode produzir dados confiáveis quando deixado de fora por longos períodos de tempo. Os materiais para cada ABCD custam menos de $ 500. Em comparação, os instrumentos comercialmente disponíveis que medem o carbono negro custam muitos milhares de dólares.
Uma rede bem distribuída
A frota de sensores foi implantada em West Oakland, um bairro residencial / industrial de uso misto de quinze quilômetros quadrados cercado por rodovias e impactado pelas emissões do Porto de Oakland e outras atividades industriais. Seis categorias de uso da terra foram designadas para a colocação de sensores:contra o vento, residencial, industrial, perto da rodovia, Rota para Caminhões, e localizações portuárias. "Era importante construir uma rede bem distribuída na vizinhança para capturar os padrões de poluição, "disse o co-autor Chelsea Preble, afiliado do Berkeley Lab e pesquisador de pós-doutorado na UC Berkeley. Por meio de uma colaboração com o Projeto de Indicadores Ambientais de West Oakland (WOEIP), Fundo de Defesa Ambiental, Distrito de Gestão da Qualidade do Ar da Bay Area, e Porto de Oakland, os cientistas recrutaram membros da comunidade dispostos a hospedar os sensores de carbono negro fora de suas casas e empresas. “Nossa parceria com a WOEIP, em particular trabalhando com a Sra. Margaret Gordon e Brian Beveridge, foi essencial para o sucesso do estudo, "disse Preble.
Para rastrear os sensores individuais em tempo real, incluindo seu status operacional, e coletar medidas, o coautor Troy Cados construiu um site e banco de dados personalizados. Toda hora, os dispositivos enviaram concentrações de carbono negro para o banco de dados usando 2G, a rede sem fio móvel. O estudo produziu aproximadamente 22 milhões de linhas de dados, produzindo percepções sobre a natureza da poluição do ar em uma escala local. Agora disponível para download, os dados também estão sendo usados por colaboradores da UC Berkeley, o distrito de gerenciamento da qualidade do ar da área da baía, e outras instituições para melhorar as ferramentas de modelagem da poluição do ar.
Sensores construídos para este projeto foram implantados fora de casas e empresas em West Oakland para registrar como as concentrações de carbono negro variam no espaço e no tempo. Crédito:Chelsea Preble / Berkeley Lab
Transformando poluentes invisíveis em dados
Como esses dispositivos funcionam? O ABCD puxou o ar através de um filtro branco, onde as partículas de carbono negro foram depositadas. Os componentes ópticos do sensor mediam periodicamente a quantidade de luz transmitida pelo filtro de escurecimento. A concentração de carbono negro no ar foi baseada em quanto o filtro escureceu com o tempo. Esta técnica, desenvolvido há várias décadas pelo Berkeley Lab e agora disponível comercialmente, serviu de base para as inovações neste estudo.
Em West Oakland, os pesquisadores descobriram que o carbono negro variava drasticamente em distâncias tão curtas quanto 100 metros e intervalos de tempo tão curtos quanto uma hora. Os níveis mais altos e mais variáveis foram associados à atividade de caminhões ao longo da Rua Marítima, normalmente baixo na madrugada, quando o Porto de Oakland estava fechado e atingia o pico no início dos negócios, por volta das oito da manhã. As menores concentrações de carbono negro na área de estudo foram registradas aos domingos, quando a atividade do caminhão é normalmente mais baixa, e em locais contra o vento perto da baía, a oeste das rodovias e da atividade industrial da cidade. A maioria dos sensores foi capaz de coletar dados suficientes para estabelecer padrões de poluição durante os primeiros 30 dias do estudo, sugerindo que estudos semelhantes - e mais curtos - poderiam fornecer a outras comunidades informações valiosas sobre a qualidade do ar.
Pela primeira vez, uma densa rede de monitoramento registrou os níveis de carbono negro em West Oakland, produzindo médias horárias (a) e médias diárias (b). As maiores concentrações, mostrado em vermelho, normalmente ocorre onde o tráfego de caminhões é mais intenso, por exemplo, ao longo da Rua Marítima (a oeste das rodovias, onde os sensores acima formam uma forma de 'L'). Crédito:Berkeley Lab
Parceria com as comunidades para avançar na ciência do monitoramento
"Esta pesquisa é um exemplo de como um laboratório nacional pode ter um impacto significativo ao trabalhar com as comunidades, "disse Kirchstetter." Trabalhamos para resolver uma preocupação que eles têm há muito tempo e fornecemos dados que descrevem como a poluição varia em todo o bairro, que pode ser usado para defender um ar mais limpo, "disse ele. A equipe está trabalhando atualmente para fazer avançar esta tecnologia, tornando-o mais robusto e fácil de usar para que possa ser implantado por longos períodos de tempo em outros locais.
"Há muito tempo estamos envolvidos na geração de tecnologias de detecção de poluição do ar, "disse Kirchstetter, cujo mentor, Tica Novakov, iniciou o campo da pesquisa do carbono negro e foi uma inspiração para este trabalho. "O Berkeley Lab tem especialistas em qualidade do ar e ciências dos materiais, e pode promover a ciência dos sensores para continuar este caminho adiante, "disse ele. Desde a conclusão do projeto, Cados e Caubel fundaram uma start-up para desenvolver essas técnicas e torná-las mais acessíveis.
