Deux capteurs dans le plus grand réseau de surveillance de la qualité de l'air au noir de carbone jamais déployé dans une même ville, avec une densité spatiale environ 100 fois supérieure aux réseaux de régulation traditionnels. Les niveaux de noir de carbone les plus bas ont été régulièrement enregistrés sur des sites comme celui illustré, en amont des autoroutes et de la plupart des activités industrielles. Crédit :Chelsea Preble/Berkeley Lab
Carbone noir, communément appelée suie, est un contributeur important au réchauffement climatique et est fortement lié à des effets néfastes sur la santé. Produit par la combustion incomplète des carburants - émis par les gros camions, les trains, et les navires—c'est un polluant atmosphérique qui préoccupe particulièrement les résidents des zones urbaines. Les capteurs disponibles sur le marché aujourd'hui sont chers, rendant le noir de carbone difficile à suivre.
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie, collaboration avec UC Berkeley, ont développé un nouveau type de réseau de capteurs qui est beaucoup plus abordable mais capable de suivre cette matière particulaire. Avec plus de 100 capteurs sur mesure installés dans l'ouest d'Oakland pendant 100 jours, l'équipe a créé le plus grand réseau de surveillance du noir de carbone à déployer dans une seule ville.
Une description complète du réseau de qualité de l'air 100×100 a été publiée dans la revue Sciences et technologies de l'environnement .
Générer une nouvelle technologie pour surveiller la pollution de l'air
Le projet a été lancé pour répondre à une préoccupation persistante dans la communauté :le besoin de meilleurs outils pour surveiller le carbone noir dans le temps et dans l'espace. En s'appuyant sur des recherches antérieures au Berkeley Lab, l'équipe a relevé ce défi en construisant l'Aerosol Black Carbon Detector (ABCD). "Nous avons généré une technologie qui n'existait pas pour rendre visible ce problème invisible, " dit Thomas Kirchstetter, qui dirige la division Analyse énergétique et impacts environnementaux du Berkeley Lab, et est professeur auxiliaire de génie civil et environnemental à l'UC Berkeley.
Petit et pas cher, l'ABCD est un moniteur de qualité de l'air compact qui peut mesurer la concentration de noir de carbone dans un échantillon d'air. "Nous devions créer un capteur aussi précis que de haute qualité, instrumentation coûteuse, mais suffisamment bon marché pour que nous puissions en distribuer 100 dans toute la communauté, " a déclaré Kirchstetter. Grâce aux innovations de conception que le coauteur Julien Caubel a développées au cours de ses recherches de doctorat, qui aident les capteurs à résister aux changements de température et d'humidité, l'ABCD peut produire des données fiables lorsqu'il est laissé à l'extérieur pendant de longues périodes. Les matériaux pour chaque ABCD coûtent moins de 500 $. En comparaison, les instruments disponibles dans le commerce qui mesurent le noir de carbone coûtent plusieurs milliers de dollars.
Un réseau bien réparti
La flotte de capteurs a été déployée dans tout l'ouest d'Oakland, un quartier résidentiel/industriel à usage mixte de quinze kilomètres carrés entouré d'autoroutes et touché par les émissions du port d'Oakland et d'autres activités industrielles. Six catégories d'utilisation des terres ont été désignées pour le placement des capteurs :au vent, Résidentiel, industriel, près de l'autoroute, route pour camions, et les emplacements des ports. "Il était important de construire un réseau bien réparti dans le quartier afin de capturer les modèles de pollution, " a déclaré le co-auteur Chelsea Preble, un affilié de Berkeley Lab et chercheur postdoctoral à l'UC Berkeley. Grâce à une collaboration avec le West Oakland Environmental Indicators Project (WOEIP), Fonds de défense de l'environnement, District de gestion de la qualité de l'air de la région de la baie, et le port d'Oakland, les scientifiques ont recruté des membres de la communauté prêts à héberger les capteurs de noir de carbone à l'extérieur de leur domicile et de leur entreprise. "Notre partenariat avec WOEIP, en particulier en travaillant avec Mme Margaret Gordon et Brian Beveridge, était essentiel à la réussite de l'étude, " dit Préble.
Pour suivre les capteurs individuels en temps réel, y compris leur état de fonctionnement, et collecter des mesures, le coauteur Troy Cados a créé un site Web et une base de données personnalisés. Toutes les heures, les appareils ont envoyé les concentrations de noir de carbone à la base de données en utilisant la 2G, le réseau sans fil mobile. L'étude a produit environ 22 millions de lignes de données, fournir des informations sur la nature de la pollution de l'air à l'échelle locale. Maintenant disponible en téléchargement, les données sont également utilisées par des collaborateurs de l'UC Berkeley, le district de gestion de la qualité de l'air de la région de la baie, et d'autres institutions pour améliorer les outils de modélisation de la pollution atmosphérique.
Les capteurs construits pour ce projet ont été déployés à l'extérieur des maisons et des entreprises dans tout l'ouest d'Oakland pour enregistrer la variation des concentrations de carbone noir dans l'espace et le temps. Crédit :Chelsea Preble/Berkeley Lab
Transformer les polluants invisibles en données
Comment fonctionnaient ces appareils ? L'ABCD a tiré de l'air à travers un filtre blanc, où des particules de noir de carbone se sont déposées. Les composants optiques du capteur mesuraient périodiquement la quantité de lumière transmise à travers le filtre assombrissant. La concentration de carbone noir dans l'air était basée sur le degré d'obscurcissement du filtre au fil du temps. Cette technique, développé il y a plusieurs décennies par Berkeley Lab et maintenant disponible dans le commerce, a servi de base aux innovations de cette étude.
Dans l'ouest d'Oakland, les chercheurs ont découvert que le noir de carbone variait fortement sur des distances aussi courtes que 100 mètres et des durées aussi courtes qu'une heure. Les niveaux les plus élevés et les plus variables étaient associés à l'activité des camions le long de la rue Maritime, généralement faible avant l'aube lorsque le port d'Oakland était fermé et culminant au début des activités, vers huit heures du matin. Les plus faibles concentrations de carbone noir dans la zone d'étude ont été enregistrées le dimanche, lorsque l'activité des camions est généralement la plus faible, et sur les sites au vent près de la baie, à l'ouest des autoroutes et de l'activité industrielle de la ville. La plupart des capteurs ont pu collecter des données suffisantes pour établir des schémas de pollution au cours des 30 premiers jours de l'étude, suggérant que des études similaires (et plus courtes) pourraient fournir à d'autres communautés des informations précieuses sur la qualité de l'air.
Pour la première fois, un réseau de surveillance dense a enregistré les niveaux de carbone noir dans tout l'ouest d'Oakland, produisant des moyennes horaires (a) et des moyennes journalières (b). Les concentrations les plus élevées, indiqué en rouge, se sont généralement produits là où la circulation des camions est la plus dense, par exemple le long de la rue Maritime (à l'ouest des autoroutes, où les capteurs ci-dessus forment une forme en « L »). Crédit :Berkeley Lab
Partenariat avec les communautés pour faire avancer la science de la surveillance
"Cette recherche est un exemple de la façon dont un laboratoire national peut avoir un impact significatif en travaillant avec les communautés, " a déclaré Kirchstetter. "Nous avons travaillé pour répondre à une préoccupation qu'ils ont depuis longtemps et fourni des données décrivant comment la pollution varie dans tout le quartier, qui peut être utilisé pour plaider en faveur d'un air plus pur, " a-t-il déclaré. L'équipe travaille actuellement à faire progresser cette technologie, ce qui le rend plus robuste et plus facile à utiliser afin qu'il puisse être déployé pendant de plus longues périodes à d'autres endroits.
« Nous sommes impliqués depuis longtemps dans la génération de technologies de détection de la pollution atmosphérique, " dit Kirchstetter, dont le mentor, Tica Novakov, a commencé le domaine de la recherche sur le noir de carbone et a été une source d'inspiration pour ce travail. "Berkeley Lab a des experts en qualité de l'air et en sciences des matériaux, et peut faire avancer la science des capteurs pour continuer sur cette voie, " a-t-il déclaré. Depuis l'achèvement du projet, Cados et Caubel ont fondé une start-up pour développer ces techniques et les rendre plus accessibles.
