污染監測：“草根”也能DIY
來源:中國科學報 作者:張章 2015/1/12 15:25:31
當冬天降臨蒙古國首都烏蘭巴托時，空氣變得污濁不堪。作為全球*寒冷的首都，這里的居民利用煤或木材在戶外生火，以加熱他們并不保溫的房屋。煙灰遮蔽了天空，能見度僅有數百米，人們不得不配戴口罩。“白色衣服能在幾個小時里變成灰色。”蒙古國報業協會執行會長Munkhmandakh Myagmar說。
世界衛生組織(WHO)數據顯示，這座城市是全球污染*嚴重的城市之一，空氣污染顆粒導致的死亡人數占該市死亡總數的1/10。但有關這種污染的范圍的信息十分有限且難以找到。WHO在線污染數據庫中只有烏蘭巴托1年的數據，顯示有害顆粒PM10(直徑10微米或更小)和PM2.5(直徑2.5微米或更小)的濃度。
自己動手監測空氣
為了填補信息缺失，該報業協會的記者決定主動出擊。通過與地球新聞網(環境記者國際組織)合作，Myagmar及其同事于去年7月將5臺設備分置于烏蘭巴托，每臺設備約有一個兒童的飯盒大小。
這種名為DustDuino的設備能測量微粒物質的濃度，并快速將數據上傳到一個公共網站。盡管存在一些充電和連接性等初始問題，但位于城市中心的一個傳感器接收的數據顯示，PM10的濃度至少是WHO推薦標準的兩倍。
DustDuino和其他污染監測器是環境行動新浪潮的一部分。這些設備有的僅花費50美元，并且使用說明在線可用。來自全世界的記者、倡導團體、黑客等開始使用廉價的監測設備極大地擴張空氣污染公開數據的數量。這些設備很容易部署，并能補充復雜但分布稀疏的部門設備收集的數據。這種“市民科學”方法旨在提供人們實際居住地的高分辨率空氣污染測量數據。目前，還有研究正在開發可穿戴傳感器以監測個人暴露水平。
以公開原則為基礎，這些自己動手(DIY)的努力是將空氣質量檢測推向大眾的一部分。但該方法的擁護者仍需要說服傳統的空氣污染研究人員，后者對由未經訓練的人員利用便宜傳感器收集的數據質量和可用性表示擔憂。
盡管如此，人們都同意需要更多資源監測空氣污染。數據顯示，每年約有700萬人死于空氣污染。“這已經成為全世界*大的、單一而言*嚴重的健康風險。”美國得克薩斯大學環境研究員Joshua Apte說。Apte一直關注便宜且多樣的新興污染測量儀所起的作用，并表示：“事實是，你能買50美元低成本的傳感器做監控傳感器，這是一件很厲害的事。”
監測污染的鴿子
這一行動可以追溯到2006年，當時加州大學歐文分校藝術家Beatriz da Costa在信鴿身上綁上小型監測器。Costa與工程師合作開發出了這種能測量一氧化碳和氮氧化物的儀表組。同時，他們還利用全球定位系統(GPS)接收器追蹤了鴿子的行動。之后，她出版了名為“鴿子博客”項目收集的數據，目的在于打破現狀，并賦予公眾收集污染數據的任務。
差不多同時，針對其他用途的傳感器也開始出現。現在，超過2/3的美國成年人表示自己在使用收集心率和其他健康數據的技術，每分鐘檢測水和電用量的家用小儀器也正在普及。另外，城市也正在使用傳感器監測從行人交通到管道泄漏的方方面面。
但直到數年前，草根污染檢測還十分**：傳統的空氣質量傳感器十分昂貴或需要經過訓練才能使用，而且它們收集的數據通常無法接近或難以處理和分享。但當“制造者”開始將線路板和傳感器焊接起來迎接這些挑戰時，情況發生了變化。
2011年，一群將自己稱為“傳感器制造者”的黑客、制造者和設計師齊聚荷蘭阿姆斯特丹和美國紐約。他們在博客中寫道，政府并沒有在能實際影響居民的地方層面監控污染。“傳感器制造者”在線發起了呼吁社區研發能測量空氣污染的傳感器的倡議。通過云募資平臺Kickstarter，“傳感器制造者”籌集了14.4萬美元的經費，開發出空氣質量蛋——
一種能測量溫度、濕度、二氧化碳和二氧化氮的設備。該傳感器成本為185美元，不到一臺中檔設備價格的1/10。
同時，西班牙也上演著類似的努力。巴塞羅那微觀裝配實驗室主任Tomas Díez Ladera一直夢想著讓公民能實時監測自己呼吸的空氣，并分享數據以便其他群體能從中獲益。在花費了1年時間確定什么技術可用后，Díez Ladera決定和團隊自己實現這個夢想。他們早期的技術原型逐漸發展成名為“智能市民工具箱”(SCK)的一系列傳感器。該設備能測量空氣質量蛋測量的所有內容，外加光強度和噪音。該團隊還建立了一個網站，鼓勵DIY愛好者設計或購買設備，并檢測當地污染。
由于此類開源傳感器能在任何地方制造，因此很難統計已經生產了多少臺。但據***的數據顯示，至少35臺DustDuino、約2500臺空氣質量蛋和1000 臺SCK已被部署在全球的許多角落。這些設備產生的數據在Xively等在線平臺上面向公眾開放。
而這些努力已經吸引了市政府和公民團體的注意。在2014年年初，阿姆斯特丹官員為100位市民提供了SCK和如何在居民區使用這種設備的說明。
數據鴻溝
支持者的熱情并沒有說服環境研究者。英國倫敦大學國王學院空氣質量學家Ben Barratt表示，用于SCK和空氣質量蛋的傳感器無法提供強有力的污染數據。Barratt幫助運行空氣質量網絡——污染數據在線資源。
“監控空氣污染水平遠比廉價傳感器的制造者和供應者建議的復雜。”Barratt說。他表示，問題在于溫度、濕度和一些氣體會歪曲用于SCK和空氣質量蛋的傳感器得出的結論，使人們難以比較不同設備取得的數據。
西英格蘭大學污染政策研究者Tim Chatterton 表示，DIY倡議者還缺乏污染專家的輸入。專業技術人員和科學家會密切關注傳感器的選址和維護。他說：“如果不關注這些，數據在本質上是無意義的，因為無法比較。”
加州大學伯克利分校環境健康學家Kirk Smith表示，這些問題減少了此類數據的有用性。美國環境保護署(EPA)頒布了嚴格規定，他說：“這些檢測器沒有達標。”
另外，Smith補充道，這些數據的流動和儲存方式使其難以分析和形象地講述一個連貫的故事。Smith團隊開發了用于室內的微粒物質傳感器。“我們從開發自己的智能廉價傳感器中學到的一件事是它們在產生一些數據，但并不干凈。要得到一些有用的數據*終還需要很多工作。”他說。
基于這些關心，科學數據看守者并不接受大部分DIY傳感器產生的數據。例如，Barratt表示不會將市民傳感器項目得到的數據納入倫敦空氣質量網，直到數據質量有所提升。
開發出DustDuino的Matthew Soyer則表示，當覆蓋一個充裕的時間跨度時，它的數據能比得上更昂貴傳感器產生的數據。一個獨立研究小組報告稱，在取樣窗外1小時的空氣時，DustDuino使用的傳感器和更高成本傳感器一樣。但Soyer也承認，在瞬時數據收集方面，DustDuino還不夠**，因為其測量結果包括太多噪音。
空氣質量蛋和SCK的開發人也承認，傳感器面臨初期的困難，但他們表示自己能夠解決。Díez Ladera表示，預計在今年年初將發布新一代SCK，該設備將能預先校準和配置更好的傳感器，以便數據足以與部門空氣質量標準相比較。
不過，一些研究人員也鼓勵市民傳感器行動。盡管擔憂數據質量，但Barratt仍為倫敦可持續**換等項目提出建議。EPA也開始接受市民監測的概念。EPA旗下國家暴露物研究實驗室執行副主任Tim Watkins希望，能探索低成本、**度較低的傳感器得出的數據如何補充稀疏分部的**設備存在的空白。“這些新技術可能非常有價值，無論我們是否投資或使用，它都來了。”