Экологические замеры – в массы

Недавно МИЭТ проводил экспериментальное исследование состава атмосферных осадков, в том числе изучал состояние почв Зеленограда по следующим параметрам: механический состав, структура, кислотность и засоленность. Результат – колоссальная засоленность, и перспективы к изменению ситуации пока малы: впереди зима, а значит, соли в почве будет еще больше. Замеры сделаны с помощью разработанной в Институте перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ уникальной автоматизированной системы мониторинга окружающей среды (АСМОС).

Система способна одновременно собирать, обрабатывать, хранить и передавать данные, отражающие широкий спектр метеорологических (температура, относительная влажность, давление, скорость и направление ветра) и экологических (основных загрязнителей воздуха ‒ РМ, CO, NO, NO₂, SO₂, и O₃, свет, шум) величин.

Рис. 1. Динамика изменения содержания озона в приземном слое атмосферы за 2015–2016 годы (ПДКсс для озона – 0,03 мг/м3)

Что еще нашли в Зеленом городе

Источниками основных выбросов загрязняющих веществ в Зеленограде оказались промышленные предприятия, объекты теплоэнергетики и автотранспорт. Выбросы включают в себя большое количество опасных и вредных для здоровья человека примесей, всевозможной пыли и аэрозолей. Ученые МИЭТа выделяют конкретные вещества, образующиеся в результате деятельности предприятий.

Рис. 2. Диаграмма динамики изменения валовых выбросов загрязнителей (%) от промышленных объектов за 2013-2016 годы

Без учета топливно-энергетического комплекса (ТЭК), это огромное количество CO2, NO2 и предельных углеводородов. Также в атмосферу города поступает аммиак и органические растворители. Безусловно, это связанно со спецификой города: его градообразующей отраслью является микроэлектроника, в технологиях которой данные вещества имеют широкое применение. Рассматривая выбросы от ТЭК, ученые отметили масштабное выделение CO и CO2. Опасные и вредные выбросы от автотранспорта – оксиды азота, углерода и углеводороды.

Рис. 3. Концентрации примесей CO в Зеленограде

Результатом от всех этих загрязнений становятся стать опасные для здоровья и жизни человека вторичные химические реакции.

Кому нужен мониторинг окружающей среды

Помимо того, что система позволяет просматривать данные в реальном времени, облачная аналитическая платформа выполняет анализ этих данных. Благодаря такой универсальности АСМОС можно применять в различных областях. Местные государственные учреждения могут предупреждать население об опасности, а также использовать данные для наблюдения за тенденциями и принятия необходимых мер. Например, школьные мероприятия, как в помещении, так и на улице, можно планировать заранее на основе прогнозов о состоянии микроклимата. Можно уменьшить количество заторов на дороге, оптимизировав переключение сигналов светофора в часы пик, во время которых уровень загрязнения воздуха достигает максимального значения. Систему АСМОС можно интегрировать в домашние системы автоматизации. Это позволит проверять качество воздуха на улице, прежде чем отправиться, например, на пробежку. Немаловажно и то, что АСМОС может сократить расходы на электроэнергию на 30%.

По данным об атмосферном давлении возможно спрогнозировать жалобы на состояние здоровья у метозависимых людей, а на основе датчиков, которые показывают экологическую ситуацию, – отследить, кто сделал несанкционированный выброс. «По Зеленограду мы постоянно фиксируем такие превышения, – говорит заместитель директора Института ПМТ НИУ МИЭТ Елена Севрюкова. – Имея эти данные, можно предотвратить массу неприятных ситуаций. Например, самая распространенная проблема: аллергия, у которой две основные причины – генетика и окружающая среда. В результате роста производства и промышленности активно развивается аллергопатология. То есть, если у Вас ребенок аллергик, и Вы видите показатели рядом с домом не слишком обнадеживающие, Вы погуляете в этот день не рядом с домом, а в соседнем районе в парке, своевременно примите противоаллергические препараты».

Экология и онкология

Если попытаться сделать прогностическую модель на 5-10 лет вперед, то новая разработка МИЭТа может включить в прогнозы такой важный пункт, как влияние фиксируемых загрязнений на заболевание людей онкологией. Как это будет работать? В выбранном районе устанавливается датчик, который фиксирует каждую секунду количество определенного вещества. Например, количество серы в воздухе. Эти данные передаются на сервер (bigdata). Специальная интеллектуальная система просчитывает прогностическую модель улучшения здоровья населения, которые можно ожидать при снижении уровней загрязнения воздуха вредными веществами. Если человек видит систематическое превышение этих порогов, он может сделать вывод, что в ближайшие 20-30 лет будет увеличение заболеваний онкологией.

«В последние три года Зеленоград является лидером по онкологической патологии. Если раньше заболеваемость у нас была низкая, то теперь она даже выше среднемосковских показателей, – отмечает Елена Севрюкова. – Зависит это от того, что, опять же, идут постоянные выбросы с производств микроэлектроники. В технологии микроэлектроники находит применение широкий перечень чрезвычайно опасных и высокоопасных химических веществ и их соединений искусственного происхождения, зачастую с эффектом суммации и потенцирования, что усугубляет опасность их выбросов для населения и окружающей среды».

Куда же девать вредные вещества с производств

За превышение нормы вредных выбросов на предприятие накладывается штраф. Поэтому практически все заводы думают о том, как эти выбросы уменьшить: сливают излишки в землю или сжигают, позволяя веществам проникать в атмосферу. Но ведь в мире исследованы далеко не все химические реакции, особенно под влиянием метеоусловий и солнечной радиации (с образованием практически неконтролируемых вторичных соединений). Каждый человек вдыхает за минуту в среднем 106 наночастиц. Одни имеют способность накапливаться в носовых путях, и могут вызывать различные заболевания, другие наночастицы проникают в организм через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт и кожу. Эти вещества мы не видим и никак не ощущаем.

По правилам экологической безопасности любое предприятие должно иметь качественную систему фильтров: для воды, если идут постоянные сливы, для воздуха, если идут постоянные выбросы. Если заранее известно, что концентрация вредных веществ превышает предельно-допустимую концентрацю (ПДК), то предприятие должно предпринять соответствующие меры (например, повысить мощности вентиляционных систем, поставить более высокие трубы, создать и внедрить различные мероприятия по улучшению санитарно-технических условий и т.д.). В этом же ряду обязанностей – оплата административных штрафов. Надзор за соблюдением экологической обстановки осуществляют органы государственного контроля. Но, как правило, заводы и предприятия это требование стараются обойти, т. к. оно влечет дополнительные затраты.

В некоторых районах Москвы предприятия стоят в зоне жилой застройки, или очень близко к ней. От этого люди тоже страдают. Те, кто живет, к примеру, в районе Ленинградского шоссе, вдоль дороги, по которой проезжает большой поток машин, часто страдают головными болями – их сердечно-сосудистая система работает плохо. Воздух вблизи загруженных столичных дорог в среднем на четверть грязнее, чем в обычных жилых районах. Это угарный газ, моно- и диоксид азота, озон (он не выбрасывается двигателями, а образуется в атмосфере под влиянием их выбросов), диоксид серы и взвешенные частицы до 10 мкм в диаметре. Все они вредны для дыхательных путей, а особенно опасны частицы до 10 мкм, которые накапливаются в легких. Жизнь в таких районах в течение 5-10 лет практически обречена закончиться развитием аллергии, некоторых видов рака или болезней сердца. А если рядом еще и завод какой-нибудь стоит, то ситуация еще серьезнее. «Кроме копоти и загазованности воздуха, которую мы не видим, – отмечают в институте ПМТ, – идет выброс тяжелых металлов, которые при накоплении в организме вызывают раковые опухоли. Для этого нужно только определенную концентрацию накопить. Физически мы оценить ее не можем, а индивидуальных приборов для этого в России до сих пор не было».

Как решают проблему за рубежом

Конечно, все вышеописанные ситуации знакомы не только россиянам. В Китае существуют датчики, которые могут оценить степень белизны кожи. Это важно, потому что наличие мелатонина напрямую связано с онкологией (он предотвращает рост раковых клеток). Чем светлее кожа, тем меньше ты можешь находиться на солнце. В Сеуле люди постоянно борются со смогами. Там есть интерактивные панели (как у нас электронные расписания на остановках), которые в режиме реального времени отражают информацию о параметрах окружающей среды. Житель Сеула видит, что вредных веществ на остановке много и надевает медицинскую маску, механически снижая загрязнение вдыхаемого им воздуха. Во всем мире принято всегда носить медицинские маски с собой!

Кстати, информационные табло висят не только на остановках, но и в торговых центрах и метро. Однако, как отмечают в МИЭТе, такого набора запрограммированных параметров по вредным веществам, как в АСМОС, на сегодня не существует нигде.

Система полностью готова к применению

Для новой системы МИЭТ уже разработал программное обеспечение и методы для обработки считываемой информации. Если систему удастся масштабировать на уровень города, ученые ожидают быстрого положительного эффекта. 50 миэтовских датчиков, развешенных у перекрестков, производств, дорог и т. д., дадут колоссальное количество информации надзорным контрольным органам (налоговой, экологической службе, департаменту природопользования, Росгидромету), которые в свою очередь смогут донести сообщения до граждан: через систему SMS или с помощью СМИ.

Рис. 4. Вариант реализации системы АСМОС на основе датчиков Vaisala (Финляндия)

Для созданной системы, уверяют в МИЭТе, в перспективе можно разработать и мобильное приложение, которое будет показывать данные, регистрируемые датчиками на экране телефона или планшета. «Сейчас перед Москвой стоит задача сделать умный город, чтобы все данные собирались в реестр. И из этого реестра инспекционные службы получали бы информацию: видели нужные документы и статистику. АСМОС позволит управлять экологией мегаполиса. Все, что сейчас стоит в городах – это неточные сведения. Добиться точности можно только фиксацией показаний не раз в 10 минут, как сейчас, а раз в секунду. Но раз в секунду можно фиксировать данные только при использовании беспроводных технологий. Наше устройство именно по такой технологии и работает. Мы можем снимать новые данные каждую секунду с тысячи датчиков единовременно и отправлять на сервер. В Зеленограде, мы посчитали, не нужна тысяча датчиков. Нам хватает ста: в каждом районе, на каждом производстве (их у нас 42), и на транспортных развязках (перекрестках, где идет большое количество транспорта). Для Москвы датчиков может понадобиться гораздо больше, и эту задачу можно с помощью нашего устройства решить», – говорит Е. Севрюкова.

Вопрос, где поставить датчики, в МИЭТе тоже проработан: есть целая методика. В первую очередь, в мониторинге нуждаются наиболее загазованные территории, предприятия, свалки и т. п. Дальше оцениваются районы: на каждый район по комплекту датчиков. В Зеленограде сегодня работают 3 пробных поста по приему этих данных (16-й район, 18-й район и 11-й район): показания снимаются каждые 3 месяца, чего, конечно, недостаточно. Но даже по этой информации понятно: выбросы в городе идут постоянно с 4-х до 6-ти утра. Вот почему жители этих районов все время жалуются на дымовую завесу и характерный запах.

И такая ситуация – в одном из самых экологически чистых округов Москвы!

Другие прецеденты тоже были

Когда в районе Выхино произошел несанкционированный выброс два года назад, люди и экологическая служба очень долго не могли определить, откуда пахнет и что случилось. Даже Росгидромет не мог выяснить причину. Установка разработанной МИЭТом системы эту проблему решила бы моментально: по 10-ти жизненно важным параметрам (оксиды серы, азота, углерод, свинец (который бывает разный), твердые частицы), можно было бы за секунду определить уровень опасности. У спецслужб было бы в запасе целых 20 минут, в течение которых с помощью МЧС можно было бы донести до людей, что до определенного часа необходимо покинуть загрязненную территорию, использовать маску, выпить лекарства или принять какие-то другие для себя решения.

И еще

Возможности АСМОС позволят инспекторам и контрольным органам выезжать на места несанкционированных выбросов с конкретными доказательствами, а жители, имея зарегистрированные данные, будут вправе защищать свое здоровье: приводить конкретные данные о нарушениях от рядом стоящего предприятия, завода или другого экологически вредного объекта.