Håndholdte målere viser partikelniveauer på stationer i København, London og Tokyo.
Læs originalartiklen her
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 8, 2017 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Nickie Heitmann Fogde1, Nanna Sander1, José Alejandro A. Ravelo1, Bartosz Gaik2, Johan Schmidt2, Ole John Nielsen1 og Matthew S. Johnson1, 2
1 Kemisk Institut, Københavns Universitet
2 Airlabs, Ole Maaløes Vej 3, 2200 København N
Der er en stigende bevidsthed omkring helbredsmæssige og økonomiske konsekvenser af luftforurening. Dårlig luftkvalitet inden- og udendørs er medvirkende til 7-8 millioner dødsfald om året på verdensplan [1]. Selvom luftkvaliteten i dag bliver overvåget af stationære målestationer rundt omkring i landet, er der et stort behov for instrumenter, der kan måle personlig eksponering. I denne artikel beskriver vi konstruktion og brug af en personlig bærbar partikelmonitor – en såkaldt PM2.5 måler.
Luftforurening
Luftforureningen stammer både fra kemiske reaktioner i atmosfæren, lokale emissioner (kilder) og bidrag fra ind- og udlandet, der transporteres med vinden. Kilderne til luftforurening er ikke kun menneskeskabte. Naturen bidrager også til luftforurening. Et gennemsnitligt menneske indånder dagligt 10-15 m3 luft, hvorved betydelige mængder luftforurening kan overføres til organismen.
Det er især det kardiovaskulære system og luftvejene, der bliver påvirket, når man bliver udsat for dårlig luftkvalitet. Mange dødsfald og en række alvorlige sygdomme, der inkluderer hjerte-kar-sygdomme, astma, KOL og lungekræft, kan tilskrives luftforurening.
Flere tusinde komponenter bidrager til luftforurening, men det er især gasserne kvælstofdioxid (NO2), ozon (O3), svovldioxid (SO2), kulmonoxid (CO) og de luftbårne partikler (PM), der medfører negative helbredseffekter. Det er ofte ikke muligt at afgøre, om et specifikt sygdomstilfælde er forårsaget af luftforurening. Men helbredseffekter af luftforurening ses tydeligt i store befolkningsgrupper.
F.eks. har epidemiologiske studier vist, at en 10 μg/m3 forøgelse i koncentrationen af partikler mindre end 2.5 nm (engelsk particulate matter, PM2.5) er associerede med en 11% stigning i kardiovaskulær mortalitet [2].
Sundhedsskadelige partikler
Luftbårne partikler adskiller sig fra andre komponenter i luften ved ikke at være gasser, men derimod en blanding af fast og flydende stof. PM inddeles almindeligvis i tre partikelfraktioner: PM10, PM2.5 og PM0.1, dvs. partikler med en aerodynamisk diameter på 10, 2,5 og 0,1 µm. De tre fraktioner kaldes hhv. grove, fine og ultrafine. PM10 er således vægten af alle de partikler mindre end 10 µm. Størrelsen måles i enheden µg/m3. En stor del af partiklerne skyldes udstødningen fra bilerne samt slid af vej, dæk og bremser. Partiklernes små størrelser betyder, at de ved inhalering kan penetrere dybt ned i lungerne og helt ud i blodstrømmen. Ydermere gør deres små størrelser, at de har store overflader, hvorpå der kan befinde sig sundhedsskadelige molekyler og metaller.
Måling af luftforurening
I Danmark findes der tæt på 20 stationære målestationer, der måler koncentrationerne af de forskellige størrelser partikler samt af udvalgte gasser [3]. Denne måde at måle niveauet af luftforureningen er generelt god og præcis, men for at få et mere nøjagtigt billede af de helbredsmæssige effekter af eksponering til for høje koncentrationer af partikler, er små personlige målere nødvendige. Mennesker befinder sig ofte i miljøer med højere forureningskoncentrationer end gennemsnittet, f.eks. i køretøjer, på travle gader og i tog.
I samarbejde med firmaet Airlabs har Kemisk Institut på Københavns Universitet arbejdet med en low-cost partikelmåler til bestemmelse af PM1,0, PM2,5 og PM10. Denne måler indeholder en partikelsensor, der er produceret af Beijing Climbing Rattan Technology Co., Ldt.
Sensoren bygger på egenskaberne ved lysspredning. Inde i sensoren sidder en laserlyskilde, der belyser et område. Når partiklerne krydser lyskilden, vil de sprede lyset i alle mulige retninger. Det spredte lys bliver derefter opfanget ved specifikke vinkler af en detektor, hvorved man opnår en tidsafhængig intensitetskurve for det spredte lys. Efterfølgende analyserer en mikroprocessor denne kurve ved hjælp af en algoritme, der bygger på Mie spredningsteori. Derved bestemmes koncentrationen af de forskellige størrelser partikler.
Sensorernes lave pris (få hundrede til få tusind kroner) gør det økonomisk muligt at lave distribuerede målinger over et stort geografisk område (f.eks. en bydel) eller intensivt i mindre områder (f.eks. en gade). Herved opnås et mere fintmasket billede af luftforurening og eventuelle ”hot-spots”. Den lave pris gør det ligeledes muligt at anvende sensorerne til måling af personlig eksponering mod luftforurening. Et generelt problem ved brugen af små, håndholdte sensorer er deres manglende selektivitet og stabilitet i forhold til de etablerede målestationer.
Et vigtigt element i studiet er kalibrering og kvalitetssikring af byggede partikelmålere. Målerne blev kalibreret mod en TSI Dusttrak partikelmåler, og yderligere kvalitetssikring blev foretaget ved at måle ved siden af en professionel målestation i London (Marylebone Road AQ station).
Nørreport Station og metrostationer i London og Tokyo
Mere end 160 millioner mennesker benytter dagligt metrosystemer. Koncentrationen af partikler er ofte forhøjet i metrosystemerne, da togenes bremseklodser, hjul samt skinner frigiver partikler ved slidtage. Hvis metrosystemerne er forbundet til stationer, hvor dieseltogtrafik forekommer, er dette yderligere en kilde til partikelbaseret luftforurening.
Lavpris partikelmålere er et godt supplement til stationære målestationer, når man skal vurdere personlig eksponering eller undersøge effekten af trafikgenererede partikler.
I vores studie blev koncentrationen af PM2.5 målt på Nørreport Station samt på en strækning af metrosystemerne i London og Tokyo. Resultaterne kan ses i figur 1. Nørreport Station er et oplagt valg, da stationen med sine 147.000 daglige tog- og metropassagerer [4,5] er Danmarks travleste. Ydermere er Nørreport Station et godt eksempel på en station, hvor udviklingen af håndholdte sensorer har stort potentiale, da stationen ligger under jorden, og man derfor ikke kan benytte målinger fra de omkringliggende målestationer. Miniprocessoren er indstillet til at tage et gennemsnit over flere målinger, der modtages fra sensoren, som måler hvert sekund. Det betyder, at tidsopløsningen er meget højere end for de traditionelle instrumenter, og derfor er det også muligt at tracke togene, der passerer Nørreport Station.
Ud fra denne målekampagne blev de højeste koncentrationer målt på Nørreport. Her blev koncentrationerne målt i 30 minutter på hver perron og gennemsnitskoncentrationen af PM2.5 blev målt til at være 150, 242 og 120 µg/m3 på hhv. fjerntogs-, S-togs- og metroperronen. I London blev koncentrationen af PM2.5 målt på forskellige perroner og i metroen i Londons Underground. To af de metrolinjer, der blev undersøgt, var Victoria Line og Central Line. Her var partikelkoncentrationen henholdsvis144 og 117 µg/m3. Dermed var koncentrationerne, der blev målt i London, lavere end dem målt på Nørreport med undtagelse af metroperronen. I Tokyo viste tilsvarende målinger også partikelkoncentrationer højere end EU’s luftkvalitetsstandard på 25 µg/m3. I Tokyo blev de højeste koncentrationer fundet på Hanzomon (Z) linjen, hvor der blev målt 56 µg/m3.
Næste skridt for lavpris partikelmålere
Denne nye måde at måle luftforurening på har et stort potentiale. Prisen på en lavpris partikelsensor er typisk mellem 1% og 0,1% af prisen på de instrumenter, der benyttes i professionelle luftkvalitetsmålestationer. Netop den lave omkostning ved brugen af disse sensorer, gør det muligt at installere lavpris partikelmålere i hele verden. Dermed kan man udvikle et verdenskort, der viser detaljeret real-time luftforurening. Ydermere er målet med næste generation af bærbare sensorer, at de skal gøres mindre, så det vil være muligt at bære dem på armen under f.eks. en løbetur.
Konklusion
Nye lavpris luftforureningsmålere åbner for mere intensiv monitering af luftforurening og personlig eksponering.
Litteratur
1. http://www.who.int/mediacentre/releases/2014/air-pollution/en/.
2. Hoek et al.: ”Long-term air pollution exposure and cardio- respiratory mortality: a review”. Environmental Health 12 (2013) 43.
3. Ellermann, T., Nygaard, J., Nøjgaard, J.K., Nordstrøm, C., Brandt, J., Christensen, J., Ketzel, M., Massling, A. & Jensen, S.S. 2016. The Danish Air Quality Monitoring Programme. Annual Summary for 2015. Aarhus University, DCE – Danish Centre for Environment and Energy, 65 pp. Scientific Report from DCE – Danish Centre for Environment and Energy No. 201. http://dce2.au.dk/pub/SR201.pdf.
4.https://www.trafikstyrelsen.dk/~/media/Dokumenter/06%20Kollektiv%20trafik/05%20Trafikale%20analyser/Publikationer/Optimering%20af%20stationsstrukturen%20marts%202014.pdf.
5. http://www.m.dk/#!/om+metroen/facts+om+metroen/statistik/passagertal/passagertal+per+station.
