Til måling af lokal luftforurening har ENVS i samarbejde med AMS udviklet tre prototyper af bærbare partikelsensorer. De blev afprøvet på Folkemødet og efterfølgende valideret i forhold til nationale referenceinstrumenter. Og resultaterne er lovende.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 8, 2018 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Maria Bech Poulsen, Ole Hertel, Clive Sabel og Tanja Willumsen
I juni måned samles hvert år tusindvis af mennesker i Allinge på Bornholm til det årlige Folkemøde for at debattere, vidensudveksle og hygge sig i demokratiets ånd. Blandt dette års 113.000 deltagere var tre forskere fra Institut for Miljøvidenskab ved Aarhus Universitet (ENVS).
Formålet med deltagelsen var at teste tre prototyper af bærbare partikelsensorer. Sensorerne blev båret i rygsække og som en menneskelig reklamesøjle var det ydermere målet at sætte fokus på luftforurening ved at gå rundt blandt boder, folk og telte for at måle den lokale partikelkoncentration.
Partikelforurening udgør en vigtig del af den samlede luftforurening i Danmark og er relateret til adskillige negative helbredseffekter, herunder øget risiko for diverse luftvejslidelser, diabetes, hjertekarsygdomme samt forskellige former for kræft [1]. Partikelforureningen i Danmark stammer fra såvel danske som udenlandske kilder, da partikler let transporteres med vinden over korte og lange afstande. Blandt de menneskeskabte kilder er røg fra forbrændingsprocesser (brændeovne, kræftværker, industri), udstødning fra transportmidler og maskiner samt støv fra bildæk og bremser. Men der findes også naturlige kilder, som bidrager til partikler i luften, herunder havsprøjt, vulkaner og jordstøv [1,2]. Den brede vifte af udledningskilder er netop årsagen til, at partikler findes i mange former og størrelser samt indeholder forskellige kemiske stoffer.
Partikler inddeles i tre størrelseskategorier; ultrafine, fine og grove partikler. Førstnævnte definerer partikler med en diamenter under 0,1 µm, mens fine partikler har en diameter under 2,5 µm. De grove partikler repræsenterer partikler med en diameter fra 10 µm og ned til 2,5 µm. Grundet de ultrafine partiklers lille størrelse bestemmes disse som antal partikler i luften, mens fine og grove partikler måles som en massekoncentration og derfor oftest benævnes som henholdsvis PM2,5 og PM10.
Under Folkemødet afspærres Allinge for al trafik med undtagelse af to busterminaler i udkanten af Folkemøde-området. Dette i kombination med Allinges afsides placering i forhold til industri og storbyer giver ikke umiddelbart forventninger om høje forureningsniveauer. Men Folkemødet er ikke blot debatscener, partitelte og folk til fods. Adskillige madboder og kaffevogne forsyner deltagerne og er spredt ud over Allinge. Disse vil ofte anvende varmekilder som gas og grill, hvilket udleder partikler til luften. Med andre ord var der forud for Folkemødet en klar forventning om, at disse kilder ville bidrage til en lokal partikelkoncentration. Lignende resultater har tidligere været observeret i studier af partikeludledningen under DHL-stafetten, hvor mange firmaer griller mad til deres løbende kollegaer [3].
Partikelsensorerne – den første prototype
De anvendte partikelsensorer er en foreløbig prototype designet og udviklet af den tyske sensorproducent, AMS i samarbejde med ENVS. Partikelkoncentrationen bestemmes ved optisk måling, hvor en indbygget laser belyser luftens partikler indsuget i sensoren og en detektor måler partiklernes spredning af lyset. Partiklerne vil alt efter deres størrelse sprede lyset forskelligt, og man vil således have en fordeling af antal partikler i det målte størrelsesinterval.
Ved at antage, at partikler er sfæriske med en bestemt densitet, konverteres antallet af partikler til en massekoncentration. Sensoren måler således koncentrationen af henholdsvis PM2.5 og PM10. Foruden partikelkoncentrationen måles temperatur, tryk og luftfugtighed, da disse parametre kan have en indflydelse på både sensorens måleevne og partiklernes størrelse, idet luftens vanddamp kondenserer på partiklerne, hvorved de vokser.
Resultater
Alle måledata var tilgængelige online under hele Folkemødet og kunne fremvises til interesserede lyttere. Sensorerne blev båret to hele dage under Folkemødet, hovedsageligt samlet, men også på enkelte ruter hver for sig. Desværre var der problemer med sensor 1 (gul linje i figur 3), og der mangler derfor data fra denne flere steder i figurerne.
Ganske som forventet viste sensorerne tydeligt udslag ved forbipassering af madboder, røgerierne i Allinge samt busterminalerne, figur 2. En anden væsentlig kilde til forhøjet partikelkoncentration var støvpartikler.
Den flotte varme og tørre forsommer havde resulteret i en tør og støvet jord, som blev hvirvlet op i luften, hvor folk gik og stod. En fodboldkamp mellem Europabevægelsen og Folkebevægelsen mod EU resulterede i markant højere partikelkoncentration blandt tilskuerne herunder sensor 2, figur 3a og b. Men det var ikke den eneste fodboldkamp, som kunne måles med sensorerne. Fodboldherrernes landskamp mod Peru blev vist på storskærm foran hovedscenen, hvor luften var fuld af støvpartikler fra de mange tilskuere samt bidrag fra cigaretrøg, figur 3c og d. De høje toppe under landskampen fordeler sig i to grupper i figur 3c og d – første og anden halvleg, da vi i pausen flyttede os lidt på afstand af den store folkemængde.
Validering af sensorernes performance
Sensorerne har efter Folkemødet været placeret på ENVS’s målestation på H.C. Andersens Boulevard i København for yderlig test. Her er de foreløbigt valideret i forhold til referenceinstrumenter, som året rundt anvendes i det Nationale Overvågningsprogram af Luftforureningen drevet af ENVS. De anvendte referenceinstrumenter er TEOM (Tapered Element Oscillating Microblalance) monitorer, hvor partikler i den indsugede luftstrøm afsættes på et filter, som konstant vejes og omregnes til realtids massekoncentration.
Figur 4 illustrerer sammenhængen mellem TEOM (grå linje) og sensorerne (gul, grøn og blå), hvor sensordata er ganget med en faktor to for at kompensere for sensorernes forskydning i forhold til TEOM. Det skal hertil nævnes, at TEOM-værdierne endnu ikke er endelig kvalitetssikret. Sensorerne følger til en vis grad TEOM med den bedste sammenhæng for PM2,5. Dog ser det ud til, at sensorerne underestimerer de lave koncentrationer, mens der kan være tale om en mulig overestimering for de højere koncentrationer. Derimod er der stor overensstemmelse mellem de tre sensorer. Men der er behov for yderligere validering for at opnå en bedre kalibrering af sensorerne. For eksempel skal det undersøges, hvorvidt temperaturen eller luftfugtigheden har en indflydelse.
Bidrag til Big Data center ved Aarhus Universitet
Som tidligere nævnt er partikelsensorerne en prototype og dermed baggrunden for et større kommende studie af bærbare luftforureningssensorer. Dette studie udgør en af hjørnestenene i et nyligt etableret Big Data center ved Aarhus Universitet (Big Data Centre for Environment and Health) ledet af professor Clive Sabel. Visionen for centeret er at udnytte og kombinere de store mængder af data, som er til rådighed inden for medicin, personregistre, luftforureningsstudier og sociale medier for bedre at kunne forstå miljøet og forureningens påvirkning på menneskers sundhed.
Herunder er et af formålene at videreudvikle personeksponeringsstudier, så vores forståelse for, hvordan vi eksponeres for luftforurening i løbet af hverdagens færden og aktiviteter, forbedres. Hertil leverer sensorproducenten AMS 200 personbårne sensorenheder til måling af en lang række forureningskomponenter blandt andet nitrogendioxid (NO2), ozon (O3), partikler (PM2.5, PM10), hvor erfaringer fra Folkemødet og prototypen inkorporeres.
Referencer
1. J. Christensen, T. Ellermann, O. Hertel, J.B. Illerup, M. Ketzel, S. Loft, F. Palmgren, M. Winther og P. Wåhlin Luftforurening med Partikler – et sundhedsproblem 2009, Miljøbiblioteksbog, Hovedland.
2. O. Hertel, T. Ellermann, O.-K. Nielsen og S.S. Jensen Clean air in Denmark dedicated effects since 1970 – Challenges, solutions and results 2015, Aarhus Universitet, DCE Center for Miljø og Energi.
3. J. Andersen Løbearrangement kvæles i sundhedsskadelige partikler 2014, pressemeddelelse fra Københavns Universitet.