حسگرهای پهپاد موثر می توانند ابزار موثری برای کاوش بهتر در پایین ترین لایه های جو باشند. به گفته تیم تحقیقاتی اخیر در منطقه شهری دهلی هند، اگر اندازه‌گیری‌های کیفیت هوای زمینی با چنین خوانش‌های مبتنی بر هواپیماهای بدون سرنشین تکمیل شود، مدل‌های کیفیت هوا و رویکردهای کاهش می‌توانند بهبود یابند.
این گروه نشان داد که غلظت ذرات معلق (PM) به شدت به ارتفاع بالاتر از سطح زمین بستگی دارد. به عنوان مثال، در ارتفاع 100 متری، غلظت PM2.5 تا 60 درصد بیشتر از سطح زمین بود. محققان در مجله Nature npj Clean Air نوشتند که نتایج نشان می دهد که شبیه سازی های مدل فعلی به طور قابل توجهی غلظت PM2.5 را در مراحل مه دود صبحگاهی دست کم می گیرند.
این مطالعه توسط Ch. پروفسور آجیت احلوات از موسسه مطالعات تروپوسفر لایب نیتس (TROPOS)، با مشارکت محققانی از هند، هلند، آلمان، چین، یونان و جاهای دیگر.
با بیش از 30 میلیون نفر، منطقه شهری اطراف دهلی نو پایتخت هند یکی از بزرگترین و پرجمعیت ترین کلان شهرها در جهان است. میزان آلودگی هوا نیز در میان بالاترین میزان است. به خصوص در طول مه دود زمستانی، غلظت ذرات گرد و غبار به سطوح بسیار خطرناکی می رسد.
آشنایی با مه دود در هند
مه دود شدید اغلب در شمال هند غالب است، به ویژه پس از باران های موسمی و در طول زمستان. به همین دلیل اخیراً مجموعه ای از اندازه گیری های زمینی برای درک بهتر علل و مکانیسم های آلودگی هوا انجام شده است. بیشتر مطالعات انجام شده در هند بر اساس مشاهدات ماهواره ای از فضا یا اندازه گیری های زمینی است. در مقابل، به سختی اطلاعاتی از پایین ترین لایه های جو در دسترس است. با این حال، توزیع عمودی آلاینده‌های هوا و شرایط هواشناسی تا ارتفاع حدود 1 کیلومتری از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر میزان غلظت آلاینده‌ها در هوا دارد.
در سال های اخیر، پیشرفت های قابل توجهی هم در فناوری پهپاد و هم در حسگرهای مقرون به صرفه ذرات انجام شده است. تولید انبوه و کوچک‌سازی امکانات جدیدی را ارائه می‌کند که توسط محققان در یک آزمایش میدانی در مارس 2021 در موسسه فناوری هند (IIT) دهلی آزمایش شد و با اندازه‌گیری‌های استاندارد دستگاه‌های اندازه‌گیری ثابت مقایسه شد. برای این منظور، تیم تحقیقاتی یک پهپاد از استارتاپ هندی BotLab Dynamics را با سنسورهای ارزان قیمت PM تجهیز و اصلاح کردند. همانطور که Ajit Ahlawat توضیح می دهد، این شامل “ساخت یک ورودی آئروسل عمودی سفارشی” است. این در حدود 30 سانتی متر بالاتر از پره های روتور هواپیمای بدون سرنشین قرار داشت. این به ما امکان داد تا اندازه‌گیری‌هایی را انجام دهیم که تا حد امکان دقیق باشد، که در غیر این صورت یک مشکل بزرگ در پهپادها است، که پره‌های روتور آنها باعث تلاطم هوای قابل‌توجهی می‌شود.»
کاهش رطوبت
چالش دیگر رطوبت بالا بود که نمونه برداری و تجزیه و تحلیل هوا را دشوار می کرد. برای رفع این مشکل، محققان یک ماده خشک کن سیلیکاژل مخصوص طراحی شده را نصب کردند. به این ترتیب آنها توانستند تغییرات عمودی غلظت آلاینده ها در هوا را در ارتفاعات مختلف و در ساعات مختلف روز مطالعه کنند. تمرکز بر ساعت‌های مه‌آلود و مه‌آلود صبح دهلی بود تا دلایل مه دود را بیشتر بدانیم.
مواد آلی در طول روز غالب هستند، در حالی که مواد معدنی مانند نیترات ها و کلریدها در شب به میزان قابل توجهی افزایش می یابند. این روند افزایش سهم را نشان می دهد که احتمالاً به دلیل سوزاندن زیست توده و زباله ها و همچنین انتشار گازهای گلخانه ای صنعتی در ساعات عصر و شب است. نیترات ها و اکسید آمونیوم در اوایل صبح قوی ترین هستند، که نشان دهنده تراکم آنها در فاز آئروسل در شرایط مرطوب و سرد است. با افزایش ارتفاع لایه مرزی پس از طلوع خورشید، اثرات رقیق سازی منجر به کاهش سریع غلظت جرم کلرید می شود. سطوح NOx حدود ساعت 21:00 به وقت محلی به اوج خود رسید که ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای خودرو و صنعتی در زیر یک لایه مرزی پایدار بود. در مقابل، PM2.5 به طور پیوسته از حدود 80 میکروگرم بر متر مکعب در ساعت 6:00 بعد از ظهر به وقت محلی به حدود 150 میکروگرم بر متر مکعب در ساعت 8:00 صبح به وقت محلی افزایش یافت، که نقش انتشار اولیه تازه و تشکیل آئروسل ثانویه را در طول تشکیل دود برجسته می‌کند. یک مثال نشان می دهد که غلظت PM2.5 چقدر می تواند با ارتفاع متفاوت باشد: در 18 مارس، غلظت PM2.5 با افزایش ارتفاع به میزان قابل توجهی 60 درصد افزایش یافت و در ارتفاعات بالاتر به حدود 160 میکروگرم بر متر مکعب رسید در مقایسه با حدود 100 میکروگرم بر متر مکعب در سطح زمین. وارونگی صبحگاهی ظاهراً باعث تجمع شدید آلاینده ها در لایه مرزی پایینی شد. رطوبت نسبی در طول شب بالای 80 درصد بود که با جذب آب باعث تشکیل ذرات ثانویه و رشد ذرات می شود. این نیز توسط نشانگر جایگزین برجسته شد، به عنوان مثال. نسبت PM استفاده شده در طول مطالعه با بالا رفتن دما از 30 درجه سانتی گراد در صبح، رطوبت نسبی به زیر 40 درصد رسید و مه پاک شد.
تجمع آلاینده ها و رطوبت زیاد در شب از دلایل اصلی تشکیل لایه های مه دود در سطح زمین در دهلی است. اتلاف سریع مه پس از طلوع خورشید با گسترش لایه مرزی، کاهش رطوبت نسبی و افزایش اکسیداسیون فتوشیمیایی تسهیل می شود. این یافته ها نیاز به اقدامات کنترل انتشار را با هدف قرار دادن منابع شبانه و فرآیندهای آئروسل ثانویه مبتنی بر رطوبت و درک آنها، به ویژه در ستون های عمودی، برای کاهش مه دود در دهلی برجسته می کند.
یافته مهم دیگر از مقایسه اندازه‌گیری‌ها با مدل WRF-Chem، که اغلب در سطح جهانی برای پیش‌بینی کیفیت هوا استفاده می‌شود، پدیدار شد: نتایج نشان می‌دهد که شبیه‌سازی‌های مدل فعلی به طور قابل‌توجهی غلظت PM2.5 را در طول فازهای مه‌دود صبحگاهی دست‌کم می‌گیرند. پروفسور Mira Pölker از TROPOS و دانشگاه لایپزیگ گفت: “این ممکن است به دلیل تعصب خشک مدل باشد که توانایی آن را برای شبیه سازی رشد هیگروسکوپی آئروسل در مقادیر رطوبت بالا محدود می کند.”
این تیم بر این باور است که این مطالعه گام مهمی در جهت ادغام سنسورهای مقرون به صرفه PM در سیستم‌های نظارت هوای موجود و بستن شکاف‌های نظارتی در لایه مرزی پایینی است.
