قياس تلوث الهواء

تتميز الأجهزة السلبية ببساطتها وانخفاض تكلفتها نسبيًا. ^{[ 7 ]} تعمل هذه الأجهزة عن طريق امتصاص عينة من الهواء المحيط أو جمعها بطريقة سلبية، ثم تُحلل هذه العينة في المختبر. ومن أكثر أشكال القياس السلبي شيوعًا أنبوب الانتشار ، الذي يشبه أنبوب الاختبار المختبري، ويُثبت على شيء ما، كعمود إنارة مثلًا، لامتصاص غاز أو أكثر من غازات التلوث المحددة. بعد فترة زمنية محددة، يُزال الأنبوب ويُرسل إلى المختبر لتحليله. تُعد مقاييس الترسبات ، وهي من أقدم أشكال قياس التلوث، نوعًا آخر من الأجهزة السلبية. ^{[ 8 ]} وهي عبارة عن قمع كبير يجمع السخام أو الجسيمات الأخرى ويصبها في زجاجات أخذ العينات، والتي تُحلل بدورها في المختبر. ^{[ 8 ]}

أجهزة القياس النشطة مؤتمتة أو شبه مؤتمتة، وتميل إلى أن تكون أكثر تعقيدًا وتطورًا من الأجهزة السلبية، مع أنها ليست دائمًا أكثر حساسية أو موثوقية. ^{[ 7 ]} تستخدم هذه الأجهزة مراوح لسحب الهواء وترشيحه، ثم تحليله تلقائيًا في الموقع أو جمعه وتخزينه لتحليله لاحقًا في المختبر. تستخدم أجهزة الاستشعار النشطة إما طرقًا فيزيائية أو كيميائية. ^{[ 9 ]} تقيس الطرق الفيزيائية عينة الهواء دون تغييرها، على سبيل المثال، من خلال قياس كمية الضوء التي تمتصها عند طول موجي معين . أما الطرق الكيميائية فتُغير العينة بطريقة ما، من خلال تفاعل كيميائي، ثم تقيس هذا التغيير. تُعد معظم أجهزة استشعار جودة الهواء المؤتمتة أمثلة على القياس النشط. ^{[ 6 ]}

في أحد طرفي الطيف، توجد أجهزة استشعار صغيرة الحجم، رخيصة الثمن، محمولة (وأحيانًا قابلة للارتداء)، ومتصلة بالإنترنت لقياس تلوث الهواء، مثل Air Quality Egg وPurpleAir. ^{[ 10 ]} تقوم هذه الأجهزة بأخذ عينات مستمرة من الجسيمات والغازات، وتُنتج قياسات دقيقة إلى حد ما، شبه فورية، يمكن تحليلها بواسطة تطبيقات الهواتف الذكية. ^{[ 11 ]} كما يمكن استخدام بياناتها بطريقة جماعية ، إما بمفردها أو مع بيانات تلوث أخرى، لرسم خرائط التلوث على مساحات واسعة. ^{[ 12 ] [ 13 ]} يمكن استخدامها في البيئات الداخلية والخارجية على حد سواء، ويركز معظمها على قياس خمسة أنواع شائعة من تلوث الهواء: الأوزون ، والجسيمات الدقيقة ، وأول أكسيد الكربون ، وثاني أكسيد الكبريت ، وثاني أكسيد النيتروجين . ^{[ 14 ]} بينما يقيس بعضها ملوثات أقل شيوعًا مثل غاز الرادون والفورمالديهايد . ^{[ 15 ]}

كانت أجهزة الاستشعار من هذا النوع باهظة الثمن في السابق، لكن شهد العقد الثاني من الألفية الثانية اتجاهاً نحو أجهزة محمولة أرخص ثمناً يمكن للأفراد ارتداؤها لمراقبة مستويات جودة الهواء في محيطهم، والتي يُشار إليها الآن بشكل غير رسمي باسم أجهزة الاستشعار منخفضة التكلفة. ^{[ 10 ] [ 16 ]} وقد حددت مراجعة حديثة أجراها مركز الأبحاث المشترك التابع للمفوضية الأوروبية 112 مثالاً، من إنتاج 77 شركة مصنعة مختلفة. ^{[ 17 ]}

تُمكّن أجهزة الاستشعار الشخصية الأفراد والمجتمعات من فهم بيئات تعرضهم لمخاطر تلوث الهواء بشكل أفضل. ^{[ 18 ]} فعلى سبيل المثال، قام فريق بحثي بقيادة ويليام غريسولد في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو بتوزيع أجهزة استشعار محمولة لتلوث الهواء على 16 من ركاب الحافلات، ووجدوا "مناطق حضرية مكتظة" حيث تحبس المباني التلوث. كما وجد الفريق أن ركاب الحافلات يتعرضون لمستويات تلوث أعلى من ركاب السيارات. ^{[ 19 ]}

على عكس أجهزة الرصد منخفضة التكلفة، التي تُنقل من مكان لآخر، تقوم أجهزة الرصد الثابتة بأخذ عينات وقياس جودة الهواء باستمرار في موقع حضري محدد. في بعض الأماكن العامة، مثل محطات القطارات المزدحمة، تُثبّت أجهزة رصد جودة الهواء النشطة بشكل دائم على طول الأرصفة لقياس مستويات ثاني أكسيد النيتروجين والملوثات الأخرى. ^{[ 20 ]} صُممت بعض أجهزة الرصد الثابتة لتقديم معلومات فورية عن جودة الهواء المحلية. في بولندا، تقيس أجهزة رصد جودة الهواء EkoSłupek مجموعة من الغازات الملوثة والجسيمات، وتحتوي على مصابيح صغيرة في الأعلى يتغير لونها من الأحمر إلى الأخضر للإشارة إلى مدى نقاء الهواء في المنطقة. ^{[ 21 ]}

على النقيض تمامًا من أجهزة الاستشعار منخفضة التكلفة، توجد محطات الرصد الكبيرة والثابتة على جوانب الشوارع، والتي تُجري باستمرار عمليات أخذ عينات من مختلف الملوثات الشائعة في هواء المدن لصالح السلطات المحلية، وتشكل هذه المحطات أنظمة رصد حضرية مثل شبكة جودة الهواء في لندن ^{[ 22 ]} وشبكة بريطانية أوسع تُسمى الشبكة الحضرية والريفية الآلية (AURN) ^{[ 23 ]} . في الولايات المتحدة، تحتفظ وكالة حماية البيئة (EPA) بمستودع لبيانات جودة الهواء من خلال نظام جودة الهواء (AQS)، حيث تخزن بيانات من أكثر من 10,000 جهاز رصد ^{[ 24 ]} . أما وكالة البيئة الأوروبية، فتجمع بيانات جودة الهواء من 3,500 محطة رصد في جميع أنحاء القارة ^{[ 25 ]} .

تُجرى القياسات بواسطة أجهزة استشعار كهذه، والتي تتميز بدقة أعلى بكثير، في الوقت الفعلي تقريبًا، وتُستخدم لإنشاء مؤشرات جودة الهواء . وبين طرفي نقيض أجهزة الاستشعار الثابتة واسعة النطاق وأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء صغيرة الحجم، توجد أجهزة مراقبة محمولة متوسطة الحجم (تُثبّت أحيانًا في حقائب كبيرة ذات عجلات)، بل وتُدمج في شاحنات أخذ عينات الضباب الدخاني المتنقلة. ^{[ 26 ]}

برزت مؤخرًا أنظمة استشعار تلوث الهواء المتنقلة كنهج واعد لرصد جودة الهواء، وذلك باستخدام أجهزة استشعار مثبتة على سيارات الأجرة والحافلات والترام وغيرها من المركبات. ^{[ 27 ]} وعلى وجه الخصوص، حظيت الحافلات باهتمام كبير كمنصة استشعار متنقلة نظرًا لانتشارها الواسع وتغطيتها الجغرافية الشاملة. ^{[ 28 ]}

يمكن أيضًا قياس جودة الهواء عن بُعد، من الجو، باستخدام تقنية الليدار ، ^{[ 29 ]} والطائرات المسيّرة ، ^{[ 30 ]} والأقمار الصناعية، من خلال طرق مثل ربط مرشحات الغاز. ^{[ 31 ]} ومن بين أوائل الجهود المبذولة لرصد التلوث عبر الأقمار الصناعية مشروع GOME (التجربة العالمية لرصد الأوزون)، الذي قاس مستويات الأوزون العالمية (التروبوسفيرية) من خلال القمر الصناعي الأوروبي للاستشعار عن بُعد (ERS-2) التابع لوكالة الفضاء الأوروبية في عام 1995، ^{[ 32 ]} ومشروع MAPS (رسم خرائط التلوث بالأقمار الصناعية) التابع لوكالة ناسا، الذي قاس توزيع أول أكسيد الكربون في الغلاف الجوي السفلي للأرض، أيضًا في التسعينيات. ^{[ 33 ]}

حتى أواخر القرن العشرين، كان قياس كمية السخام الناتج عن شيء مثل المدخنة يتم غالبًا بصريًا، وبشكل بدائي نسبيًا، عن طريق رفع بطاقات عليها خطوط تشير إلى درجات مختلفة من اللون الرمادي. عُرفت هذه البطاقات باسم مخططات رينجلمان ، نسبةً إلى مخترعها ماكس رينجلمان ، وكانت تقيس الدخان على مقياس من ست نقاط. ^{[ 34 ]}

في محطات رصد التلوث الحديثة، تُقاس الجسيمات الخشنة (PM ₁₀ ) والجسيمات الدقيقة (PM _{2.5 ) باستخدام جهاز يُسمى} الميزان الدقيق المتذبذب ذو العنصر المخروطي (TEOM)، وهو عبارة عن أنبوب زجاجي يهتز بدرجات متفاوتة مع تراكم الجسيمات عليه. كما يمكن قياس الجسيمات باستخدام أنواع أخرى من أجهزة أخذ عينات الجسيمات ، بما في ذلك الكواشف الضوئية البصرية التي تقيس الضوء المنعكس من العينات (حيث تعكس الجسيمات الأكبر حجمًا ضوءًا أكثر)، والتحليل الوزني (حيث تُجمع العينات على مرشحات وتُوزن). ^{[ 35 ]} عادةً ما يُقاس الكربون الأسود بصريًا باستخدام أجهزة من نوع الإيثالومتر . ^{[ 36 ]}

تُعدّ الجسيمات متناهية الصغر (أصغر من PM _0.1 ، أي أقل من 100 نانومتر في القطر عمومًا) صعبة الكشف والقياس باستخدام بعض هذه التقنيات. وعادةً ما تُقاس (أو تُحصى) باستخدام عدادات جسيمات التكثيف ، التي تُكبّر الجسيمات فعليًا عن طريق تكثيف الأبخرة عليها لتكوين قطرات أكبر حجمًا وأسهل في الكشف. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

يمكن قياس التركيب الذري للعينات الجسيمية باستخدام تقنيات مثل مطيافية الأشعة السينية . ^{[ 39 ]}

ثاني أكسيد النيتروجين ( NO₂ ) يمكن قياسه بشكل سلبي باستخدام أنابيب الانتشار، على الرغم من أن جمع العينات وتحليلها والحصول على النتائج يستغرق وقتًا. ^{[ 40 ] [ 41 ]} ويمكن قياسه يدويًا أو تلقائيًا من خلالطريقة غريس-سالتزمان، كما هو محدد فيالمواصفة القياسية الدولية ISO6768:1998، ^{[ 42 ] [ 43 ]} أوطريقة جاكوبس-هوشيزر. ^{[ 44 ]}

كما يمكن قياسه تلقائيًا وبسرعة أكبر بكثير، بواسطة محلل التلألؤ الكيميائي ، الذي يحدد مستويات أكسيد النيتروجين من الضوء المنبعث منه. في المملكة المتحدة، على سبيل المثال، يوجد أكثر من 200 موقع حيث NO₂ يتم رصدها باستمرار بواسطة التلألؤ الكيميائي. ^{[ 45 ]}

يُقاس ثاني أكسيد الكبريت ( SO₂ ₎ باستخدام مطيافية التألق . تتضمن هذه الطريقة تسليط ضوء فوق بنفسجي على عينة من الهواء وقياس التألق الناتج. ^{[ 46 ]} كما تُستخدم مطيافات الامتصاص لقياس SO₂ . وتُستخدم أجهزة التحليل الضوئي اللهبي لقياس مركبات الكبريت الأخرى في الهواء. ^{[ 47 ]} _أما الطرق القديمة لقياس ثاني أكسيد الكبريت فكانت تتضمن تمرير عينات الهواء عبر زجاجات تحتوي على اليود أو بيروكسيد الهيدروجين أو رباعي كلوريد الزئبق الصوديوم أو البوتاسيوم. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

يُقاس أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون ( CO₂ _{) باستخدام امتصاص الأشعة} تحت الحمراء غير المشتتة (NDIR) وفقًا لقانون بير-لامبرت . ^{[ 50 ]} كما يمكن قياس أول أكسيد الكربون باستخدام مجسات هلامية كهروكيميائية وكواشف أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOS)، والتي تُستخدم في أجهزة الكشف عن أول أكسيد الكربون المنزلية . ^{[ 51 ]}

يُقاس الأوزون ( O3 ) بقياس كمية الضوء التي يمتصها عينة من الهواء المحيط. _[ ^{52 ] وتمتص} التركيزات الأعلى من الأوزون كمية أكبر من الضوء وفقًا لقانون بير-لامبرت.

يتم قياس هذه المواد باستخدام كروماتوغرافيا الغاز والتأين باللهب (GC-FID). ^{[ 53 ]}

يمكن قياس الهيدروكربونات بواسطة كروماتوغرافيا الغاز وكاشفات التأين باللهب. ^{[ 54 ] [ 55 ]} ويتم التعبير عنها أحيانًا كقياسات منفصلة للميثان ( CH4).₄ )، وانبعاثات الهيدروكربونات غير الميثانية (NMHC)، وانبعاثات إجمالي الهيدروكربونات (THC) (حيث THC هو مجموعCH4).₄ وانبعاثات NMHC). ^{[ 54 ]}

الأمونيا ( NH3)₃ ) يمكن قياسها بطرق مختلفة بما في ذلك التلألؤ الكيميائي. ^{[ 56 ]}