Các Cảm biến Giá rẻ và Di động Đang Phổ cập Dữ liệu Chất lượng Không khí

Câu chuyện này đã được xuất hiện ban đầu trên CityLab và là một phần của sự hợp tác Climate Desk .

Cho đến khi bà chuyển đến Fresno, California vào năm 2003, Janet DietzKamei chưa bao giờ trải qua cơn hen suyễn. Nhưng sau vài năm ở trong một thành phố nổi tiếng với không khí ô nhiễm—Hội Phổi Hoa Kỳ xếp nó vào năm thành phố có chất lượng không khí tồi nhất—DietzKamei thấy mình trong phòng cấp cứu, đau đớn vì khó thở.

Bà nhanh chóng bắt đầu ở trong nhà vào những ngày không khí đầy mù mịt từ các nhà máy gần đó hoặc từ giao thông, và sẽ kiểm tra cảnh báo chất lượng không khí địa phương mỗi buổi sáng. Nhưng thậm chí điều đó cũng không đủ—đôi khi vào những ngày được đánh giá là an toàn theo chỉ số chất lượng không khí, bà vẫn phải đối mặt với cảm giác thở khó khăn.

Nếu không khí tồi, bà nói, “Tôi đơn giản không thể thở bên ngoài. Không có thứ gì được hấp thụ; tôi đơn giản không thể hít thở không khí.”

Hiện nay 73 tuổi, DietzKamei đã trải qua mùa đông đầu tiên sau nhiều năm mà bà không bị ốm. Điều đó, bà nói, là nhờ vào một cảm biến không khí giá 250 đô la mà bà đặt trong sân sau nhà, gửi cho bà những đọc số ô nhiễm đúng theo thời gian thực ngay ngoại ô nhà bà, một đọc số cá nhân và cụ thể hơn so với những gì bà có thể nhận được từ các máy đo cố định của bang cách xa hàng dặm.

Bộ giám sát của DietzKamei, do PurpleAir sản xuất, là một phần của mạng lưới trải dài qua Thung lũng San Joaquin của California, do phần nào được quản lý bởi Mạng Lý dị Môi trường Trung California. Bằng cách đặt các bộ giám sát trong sân sau và xung quanh các trường học, nhóm hy vọng sẽ xem những gì các nhà máy sinh khối và hàng chục chiếc xe tải đi qua đang bơm vào phổi của những cư dân khó khăn.

Việc đo lường chất lượng không khí đã thuộc thẩm quyền của các cơ quan quản lý môi trường của tiểu bang, chúng dựa vào các bộ giám sát được EPA phê duyệt có giá hàng chục nghìn đô la. Dữ liệu này được sử dụng để gửi cảnh báo về không khí ô nhiễm (những ngày cảnh báo màu xanh lá cây, cam, và đỏ) và cho mục đích quy định.

Tuy nhiên, những đọc số này chỉ thể hiện một phần hẹp của không khí, dựa trên một số lượng ít máy đo có thể không được đặt ở những nơi có ô nhiễm nặng nhất. Các tiến bộ trong công nghệ đã sản xuất ra các cảm biến nhỏ gọn có giá chỉ 250 đô la, có nghĩa là các nhà hoạt động môi trường, các nhóm cộng đồng và công dân tò mò có thể đồng thời hóa ô nhiễm không khí xung quanh trường học, công viên hoặc sân sau nhà họ.

Một phân tích dữ liệu năm 2017 từ hơn 100 cảm biến PurpleAir trên khắp đất nước cho thấy sự gia tăng của ô nhiễm do pháo hoa ngày 4 tháng 7. Điều này có thể cuối cùng thay đổi quy định về ô nhiễm không khí, với những khu vực trước đây không đo được giờ sẽ thu thập dữ liệu về không khí họ nói có thể vi phạm tiêu chuẩn sức khỏe liên bang. Ở phía tây Colorado, nhóm môi trường Citizens for Clean Air đã đặt hai chục máy giám sát giá rẻ xung quanh Grand Junction để bổ sung hai máy giám sát của tiểu bang ở Grand Valley. Trong một vùng đối mặt với khói rừng cháy, tăng cường giao thông xe tải và ô nhiễm khí tự nhiên, những nhà hoạt động nói rằng cần một mạng lưới mạnh mẽ hơn các máy giám sát để chứng minh cho tiểu bang rằng cần phải chú ý nhiều hơn đến họ.

“Tiểu bang làm điều họ có thể với những gì họ có để làm việc,” Karen Sjoberg, người lãnh đạo nhóm nói. “Họ đã có máy giám sát ở những vị trí tốt nhất mà họ có thể và họ sẽ tiến hành các nghiên cứu trên đó, nhưng chúng tôi cần các phiên bản giá rẻ ở nơi chúng tôi sống.”

Ngay cả ở các thành phố lớn, nơi thường được chú ý nhiều hơn vì dân số cao, cảm biến giá rẻ được sử dụng để thu thập dữ liệu chất lượng không khí cục bộ. Ngoài Fresno, hãy xem Salt Lake City, nơi ô nhiễm là một hiện thực trong cuộc sống: Thành phố nằm trong một lưu vực, và vào mùa đông, hiện tượng nghịch lớp giữ một lớp màn khói dày suốt vài ngày liền. Shea Wickelson, một giáo viên hóa học trung học tại Trung tâm Giáo dục Khoa học Salt Lake, nói rằng học sinh bắt đầu nghĩ về ô nhiễm khi giờ nghỉ bị hủy vào những ngày khói mù mịt.

“Nếu bạn có trải nghiệm từ cấp tiểu học, bạn rất nhận thức về chất lượng không khí,” Wickelson nói. “Học sinh đưa ra những câu hỏi như, ‘Chất lượng không khí bên trong so với bên ngoài như thế nào?,’ hoặc ‘Nhiên liệu cao cấp so với nhiên liệu thông thường như thế nào?,’ hoặc ‘Không khí xung quanh xe buýt của trường học như thế nào?’”

Việc trả lời những câu hỏi đó không dễ dàng, nhưng một đối tác với Đại học Utah đã giúp đỡ. Chương trình AirU giúp học sinh xây dựng các cảm biến hạt rắn của riêng họ, bắt đầu bằng các khối đồ chơi, một bo mạch máy tính Arduino rẻ tiền và một cảm biến ánh sáng phân tán ánh sáng để phát hiện các hạt ô nhiễm. Học sinh có thể sử dụng các bộ giám sát kích thước hộp giấy ăn cho dự án hội chợ khoa học, nhưng họ cũng đã tạo ra một bản đồ dữ liệu về ô nhiễm xung quanh thành phố.

“Các khu vực thu nhập thấp của chúng ta không luôn được đại diện tốt, vì mọi người có những lo ngại khác ngoài việc nghĩ về cách giám sát chất lượng không khí,” nói Kerry Kelly, giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Utah, người giám sát chương trình. “Chúng tôi đang có bản đồ thời gian thực về các môi trường nhỏ của thành phố. Khi thung lũng này phát triển, điều này có thể giúp bạn quản lý nơi bạn đặt những thứ như trường học.” Tương tự, tại Denver, Google đã hợp tác với Aclima để đặt các cảm biến giá rẻ của công ty trên xe xem đường để đưa ra bản đồ ô nhiễm xung quanh thành phố.

Thế hệ mới của các bộ giám sát này là kết quả của sự tiến bộ trong công nghệ laser. Các bộ giám sát có thể thu khí qua quạt, sau đó sử dụng một bức xạ laser để đếm số lượng và kích thước các hạt trong không khí. Adrian Dybwad, người sáng lập PurpleAir, nói rằng anh bắt đầu thử nghiệm cảm biến không khí để xem gia đình anh đang hít thở từ một mỏ sỏi gần đó ở Salt Lake City. Một cảm biến hồng ngoại từ internet quá phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng anh đã thử nghiệm một cảm biến laser được chỉnh sửa anh mua trực tuyến so với các bộ giám sát quy định chính thức và tìm thấy mối tương quan 95 phần trăm.

Sau khi ban đầu tặng miễn phí các bộ giám sát, công ty của Dybwad hiện đã bán hàng trăm chiếc trên khắp đất nước, tạo ra một bản đồ quốc gia thời gian thực trên trang web của công ty.

“Chúng tôi gọi đó là giám sát không khí độ phân giải cao,” Dybwad nói. “Có khả năng biết được có gì trong không khí của bạn, nó mang lại sự an tâm cho mọi người.”

Dữ liệu vị trí và mô hình hóa 3D đang giải quyết các vấn đề cấp bách của San Francisco là sản phẩm phụ của sự phát triển nhanh chóng.

Công nghệ hoạt động tốt đối với các hạt rắn, ô nhiễm có thể đến từ bụi, khói và khí thải diesel và có thể gắn kết trong phổi và máu. Ô nhiễm ozone, hoặc smog ở mức đất, đòi hỏi đọc đo phức tạp hơn về nhiệt độ, độ ẩm và thành phần khí, điều này là một rào cản đối với các bộ giám sát chất lượng cao và giá thấp cho tất cả các chất ô nhiễm.

Như dự kiến, độ chính xác là một thách thức—các bộ giám sát đòi hỏi việc hiệu chuẩn, có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, và có thể mắc bệnh, chẳng hạn như một buổi nướng ngoại vi hoặc một con bọ bay vào cảm biến. Chúng không đủ chính xác cho mục đích quy định, và một số bang đã cảnh báo người dân không nên gọi điện với các đọc số cao quá mức khả năng một sự cố.

Tuy nhiên, một số cơ quan bang đã chấp nhận các thương hiệu giá thấp. Colorado gần đây đã triển khai một số bộ giám sát PurpleAir đến các cộng đồng bị đe dọa bởi đám cháy rừng ở phía tây nam của bang, một cách để xem khói đang đi đâu để họ có thể cảnh báo cư dân.

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã tiến hành thử nghiệm cho các cảm biến có thể đeo được và một bộ giám sát không khí có thể được lắp đặt trên một ghế công viên, để đưa nó gần đường và các công viên. Khi phần cứng tiếp tục trở nên nhỏ hơn và tuổi thọ pin tiến bộ, một số người thậm chí còn nhìn đến một tương lai trong đó các bộ giám sát được đính vào quần áo hoặc kẹp vào áo khoác để đọc từng phút.

Kelly, giáo sư Đại học Utah, nói về những khả năng mà các cảm biến có thể đeo được mang lại có thể là vô tận.

“Hãy tưởng tượng về một người dẫn đường, hoặc ai đó trong một cửa hàng chế biến gỗ—chúng ta có thể hiểu được mức độ tiếp xúc của họ và có thể tìm cách để giảm thiểu nó,” bà nói. “Nếu bạn mắc bệnh hen suyễn, điều này có thể thay đổi hành vi của bạn. Có rất nhiều thông tin mà chúng ta có thể tìm thấy.”