V rámci projektu CLAIRO jsou v Ostravě prováděna přesná měření látek znečišťujících ovzduší a klimatických podmínek a také v dalších sousedních městech s cílem poskytnout základní informace pro vývoj modelu disperze, depozice a zachycování znečišťujících látek, který má v návaznosti umožnit návrh nejefektivnějšího složení a struktury zeleně pro výsadbu v cílovém území. Měření, ukládání a zpracování dat provádí Technická univerzita v Ostravě (VŠB). Účinek zelené ekologizace bude průběžně ověřován technologií senzorů propojenou s technikou referenční analýzy. Možné snížení koncentrace znečišťujících látek vysazenou zelení sleduje a vyhodnocuje VŠB. Data získaná měřením budou zásadní rovněž pro předání výsledků projektu dalším městům v regionu a celé Evropě.

Kvalita ovzduší v Ostravě

Město Ostrava je významným průmyslovým centrem České republiky, kde znečištění ovzduší představovalo ve druhé polovině 20. století vážný problém. V důsledku zásadní restrukturalizace průmyslu a balíčku opatření týkajících se kvality ovzduší zavedeného městem se situace postupem času výrazně zlepšila, což mělo za následek téměř 90% pokles znečištění ve městě. Široká škála zavedených opatření zaměřených na zlepšení kvality ovzduší zahrnuje mimo jiné:

• opatření omezující emise z průmyslu;
• program výměny kotlů pro domácnosti;
• rozvoj systému veřejné dopravy (výstavba a rekonstrukce tramvajových a trolejbusových kolejí);
• intenzivní čištění silnic, které snižuje sekundární znečištění ovzduší provozem vozidel;
• výstavba cyklistické infrastruktury;
• provoz systému sdílení kol;
• rozšíření pěších zón ve městě;
• renovace městského vozového parku na nízkoemisní nebo elektrická vozidla;
• asanace parků a výsadba odolné zeleně u silnic.

I přes restrukturalizaci a výše uvedená opatření zůstává kvalita ovzduší jedním z největších problémů města v oblasti životního prostředí. Mezi hlavní zdroje znečištění ovzduší v Ostravě patří hutní výroba, výroba energie, vytápění domácností a doprava. Jelikož je město součástí hornoslezské metropolitní oblasti, mezinárodní průmyslové aglomerace, zvyšuje koncentraci znečišťujících látek v Ostravě také znečištění pocházející z nedaleké průmyslové aglomerace Katowice v Polsku. Situaci ve městě příležitostně dále zhoršují také místní meteorologické podmínky v zimě, které jsou charakteristické častými inverzemi vedoucími ke špatnému rozptylu znečišťujících látek.

Jednou z hlavních znečišťujících látek ve městě jsou pevné částice. Zákonná mezní hodnota ročního průměru pro pevné částice byla v případě PM2.5 and PM10 v období 2004–2014 často překračována. Vystavení takovým částicím může vést mimo jiné k srdečním onemocněním, mrtvici, rakovině plic, zhoršení astmatu, chronické bronchitidě a onemocněním ledvin. Částice o průměru menším než 10 mikrometrů (PM10) jsou dostatečně malé na to, aby procházely hrdlem a nosem přímo do plic. Částice o průměru menším než 2,5 mikrometru (PM2.5) dokáží proniknout hluboko do plic, mohou se dostat dokonce i do krevního řečiště a tím pádem téměř ke všem orgánům.

Údaje z monitorování v Ostravě ukázaly, že expozice benzo(a)pyrenu je vysoká – zákonný limit byl po mnoho let překročen na všech místech, kde byly koncentrace této znečišťující látky měřeny. Benzo(a)pyren je polycyklický aromatický uhlovodík (PAU), který vzniká při neúplném spalování organických látek. Mezi zdroje benzo(a)pyrenu patří domácí spalování dřeva, výfukové plyny z vozidel a průmyslové postupy. Jedná se o karcinogenní látku, která může nepříznivě ovlivnit imunitní systém, reprodukční systém nebo mozkové funkce.

Monitorování může pomoci určit záchyt znečišťujících látek zelení

V Ostravě je v cílových oblastech projektu (v Radvanicích a Bartovicích, tedy nejvíce znečištěných městských čtvrtích) provozováno celkem 18 senzorových jednotek. Provozován je také jeden referenční systém, a to v prostorách Technické univerzity Ostrava (viz Obrázek 1). Ve vybraných sousedních městech navíc provádí měření dalších šest senzorových jednotek. Monitorování pomocí senzorů je plánováno na osm let, před, během a po výsadbě zeleně tak, aby bylo možné vyhodnotit její vliv na koncentrace různých ovzduší znečišťujících látek. Před výsadbou jsou data shromažďována po celý jeden rok, aby pokryla všechna roční období a povětrnostní podmínky. Shromažďují se také údaje o klimatických podmínkách, jako jsou síla větru, směr větru, teplota, tlak, vlhkost a srážky, které doplňují podrobné informace o kvalitě ovzduší. Měření byla zahájena v září 2019.

Senzorové jednotky jsou instalovány v blízkosti ocelárny Liberty Ostrava v cílové oblasti projektu CLAIRO, která zahrnuje místa pro výsadbu zeleně. Deset jednotek se nachází v bezprostřední blízkosti odkaliště popílku ocelárny a pokrývá oblasti před a za jedním z míst pro výsadbu zeleně. Dalších osm senzorových jednotek se nachází v sousední rezidenční čtvrti v blízkosti druhého místa výsadby.

V cílových oblastech projektu CLAIRO jsou prováděna kontinuální měření s cílem získat dobrý přehled o vývoji situace kvality ovzduší po celý rok bez zeleně a vyhodnotit úrovně znečišťujících látek v různých ročních obdobích. Další výhodou kontinuálních měření je, že mohou indikovat krátkodobé špičky koncentračních úrovní, které by v dlouhodobých průměrech mohly zůstat skryty. Na základě kontinuálních měření znečištění ovzduší a meteorologických parametrů prováděných VŠB vypracuje Slezská univerzita v Opavě samostatné modely pro záchyt látek znečišťujících ovzduší pro stávající vegetaci, navrženou novou zeleň a vysazenou zeleň. VŠB poskytuje Slezské univerzitě v Opavě ověřené údaje o kvalitě ovzduší a informace o přesné poloze senzorových jednotek pro vyvinuté modely. V návaznosti na modelování je možné určit nejefektivnější složení a strukturu nové zeleně z hlediska záchytu znečišťujících látek.

Záchyt látek znečišťujících ovzduší stávající zelení bude vypočítán z rozptylu, obnovené suspenze a depozice polétavých látek. Vyhodnocení situace znečištění ovzduší, meteorologických parametrů, přírodních podmínek a záchytu znečišťujících látek existující zelení umožní vývoj hypotetického modelu návrhu nové zeleně. Hypotetický model bude testován kontinuálním měřením úrovní koncentrace znečišťujících látek. Na základě předchozích modelů bude vyvinut finální komplexní inovativní model, který bude obsahovat předpovědi budoucího záchytu látek znečišťujících ovzduší vysazenou zelení.

Použité vybavení

Projekt CLAIRO používá modulární síť senzorů, která umožňuje současné měření plynných znečišťujících látek a pevných polétavých částic ve vzduchu v reálném čase. V rámci sítě jsou nainstalovány senzorové skříně enviSENS, z nichž každá obsahuje několik senzorů od různých výrobců, které mohou měřit koncentrace různých ovzduší znečišťujících látek. Senzorové skříně mohou běžet na energii ze solárního panelu nebo ze sítě. Kromě měřících komponent (senzorů) obsahují skříně také mikropočítač, baterii, přípojku k solárnímu panelu a přípojku k 220 V síti (viz Obrázek 2). Skříně jsou odolné vůči povětrnostním vlivům a snadno se udržují. Jsou namontovány ve výšce 3 až 8 metrů, aby byl zajištěn přímý sluneční svit pro fotovoltaický panel (viz Obrázek 3). Solární panely zajišťují energetickou soběstačnost jednotek.

Senzory umožňují rychlé, krátkodobé měření organických i anorganických látek. Senzorové jednotky monitorují koncentrace pevných částic různých frakcí (PM10, PM2.5, a PM1), oxidu dusičitého (NO2) a ozonu (O3), těkavých organických látek (VOC – volatile organic compound) a polycyklických aromatických uhlovodíků (benzo(a)pyren). Ve skříních je použita nová generace senzorových jednotek, které umožňují monitorování koncentrací benzo(a)pyrenu bez nutnosti komplikované laboratorní analýzy, na rozdíl od standardních měřicích procesů. V současné době testuje proveditelnost senzorických měření benzo(a)pyrenu VŠB. Senzory snímají data ve velmi krátkých intervalech. Hodnoty se zaznamenávají každých 10 sekund a průměrné koncentrace se odesílají v datových paketech každých 5 minut. Data ze senzorů jsou shromažďována v integrovaném datovém záznamu a přenášena prostřednictvím rádiové sítě LORA nebo GPRS (General Packet Radio Service) do centrální databáze na VŠB.

                                              

I přesto, že jsou senzory velmi přesné (zejména v případě PM10) a umožňují rychlé měření, jejich data nelze použít k posouzení souladu s mezními hodnotami látek znečišťujících ovzduší. Data získaná ze senzorových stanic jsou proto využívána pouze pro účely projektu CLAIRO, který sleduje změny koncentrací znečišťujících látek ve vztahu ke schopnosti zeleně absorbovat polétavé polutanty. Systém je vysoce modulární a flexibilní. Ve srovnání s běžnými měřícími jednotkami se jedná o nízkonákladovou možnost. Instalace vybavení projektu vyžaduje mnohem nižší počáteční investice ve srovnání s referenčními analyzátory a jeho spotřeba energie a provozní náklady jsou obzvláště nízké. Aplikace modulární senzorové sítě umožňuje vytváření map koncentrace jednotlivých znečišťujících látek, výpočet pro modelování na základě naměřených meteorologických parametrů (např. rychlost a směr větru), jakož i indikaci míst a časových období s neobvyklými hodnotami koncentrací.

Ukládání a zpracování dat vyžaduje speciální prostředky

Online data o koncentracích látek znečišťujících ovzduší, která jsou přenášena ze senzorových skříní každých 5 minut, jsou uložena ve strukturované databázi Inteligentního identifikačního systému (IIS) vyvinutého VŠB. Systém ukládá přenesená data, zaznamenává je do databáze a umožňuje jejich další zpracování. Původně byl vyvinut za účelem zjednodušení identifikace zdrojů látek znečišťujících ovzduší v lokálním měřítku. IIS nenahrazuje standardní měření – jeho cílem je zdokonalit měření ve vybraném místě za účelem identifikace kritických bodů v dané oblasti. Díky znalosti krátkodobých koncentrací, kterou umožňuje právě tento systém, je možné vyhledávat časová období a oblasti s výjimečnými nebo nežádoucími koncentracemi látek znečišťujících ovzduší.

IIS se skládá z 30 senzorových jednotek, které jsou připojeny ke dvěma standardním monitorovacím stanicím, které slouží k pravidelné kontrole stavu senzorů a k ověřování správnosti výsledků senzorických měření. Česká národní monitorovací síť Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ), která zahrnuje přibližně 150 stanic pokrývajících celou zemi, je vhodná pro vyhodnocování v makro měřítku, často však nereaguje na místní problémy. Naproti tomu Inteligentní identifikační systém stojí na principu menších místních sítích, které podporují místní plánování tím, že umožňují zjišťování příčin znečištění ovzduší, volbu vhodných kontrolních opatření ke snižování emisí (např. zklidnění dopravy, zavedení dotací na kotle, zavedení odprašovacích technologií nebo rekuperace vzduchu) a identifikaci míst pro jejich zavedení. To je možné díky online měření znečišťujících látek (tj. PAU a VOC), které jsou normálně sledovány pouze zpětně pomocí analýzy vzorků v laboratořích. Jelikož je síť IIS mobilní, lze jej nasadit do jakékoli konkrétní oblasti nebo k jakémukoli zdroji znečištění. Vzhledem k hustotě senzorů lze koncentrace znečišťujících látek z místních zdrojů odlišit od koncentrací na pozadí. V databázi koncentrací jsou systémem automaticky označovány neobvyklé datové body nebo soubory dat, jako jsou koncentrace překračující mezní hodnoty, prudké nárůsty, nesystémové změny hodnot nebo odchylky. Cílem IIS je identifikovat na místní úrovni kritické body, které mají největší podíl na emisích – systém se nezabývá sledováním souladu s mezními hodnotami. IIS kontroluje správnost měření, vypočítává průměry a zjišťuje maximální hodnoty.

Síť senzorů projektu CLAIRO je součástí Inteligentního identifikačního systému; 24 senzorových boxů nainstalovaných v rámci projektu CLAIRO doplňuje 30 původních senzorových jednotek IIS. Během projektu i po konci jeho životnosti se shromažďuje obrovské množství dat, jejichž správa vyžaduje použití velmi výkonných výpočetních nástrojů. Hodnoty koncentrace se zaznamenávají každých 10 sekund a akumulovaná data se nahrávají do databáze v 5minutových intervalech. Za jeden den přinese měření 8 látek pomocí 20 senzorových jednotek více než 46 000 samostatných datových hodnot. Kvůli těmto obrovským objemům dat je databáze IIS uložena na superpočítači IT4Innovations národního superpočítačového centra.

IT4Innovations je součástí Technické univerzity Ostrava (VŠB). IT4Innovations tvoří společně s dvěma dalšími infrastrukturami CESNET a CERIT-SC národní výzkumnou e-infrastrukturu České republiky, tzv. e-INFRA CZ. V současné době provozuje IT4Innovations čtyři superpočítače, které jsou umístěny v datové místnosti o rozloze 500 m2. Počítačový systém je udržován v chodu energetickým centrem s redundantním napájením, které je zajištěno dieselovým generátorem. Superpočítačové centrum je podporováno vodním chladicím systémem s chladicím výkonem 500 kW, který se skládá ze sítě 5 okruhů studené a teplé vody umístěných pod zvýšenou podlahou datové místnosti. Součástí systému je také 15 chladicích věží. Systém zajišťuje rekuperaci odpadního tepla generovaného superpočítači. Datová místnost je vybavena také protipožárním systémem, který aktivně snižuje koncentraci kyslíku na 15 %, aby účinně zabránil požáru.

Ze čtyř superpočítačů na VŠB je největší Salomon s výkonem 2 PFlop/s (viz Obrázek 4). Když byl Salomon v roce 2015 spuštěn, byl 40. nejvýkonnějším superpočítačem na světě. Databáze používaná projektem CLAIRO je uložena právě na Salomonu, který se skládá z 1 008 výpočetních uzlů, z nichž každý je vybaven 24 jádry.

Vizualizace dat

Data odeslaná ze senzorů se zobrazují ve formátu mapy na platformě vytvořené IT4Innovations, tzv. geo-databázi Floreon. Floreon byla vyvinut jako integrovaná operační platforma pro monitorování, modelování, predikci a podporu krizového řízení v Moravskoslezském kraji. Původně byla platforma vytvořena pro podporu v oblasti hydrologie, simulace a předpovědi povodňových situací. Později bylo její použití rozšířeno na modelování znečištění životního prostředí.

Floreon umožňuje výběr jednotlivých látek, míst a časových období. V platformě jsou senzorové stanice projektu CLAIRO označeny barevnými kruhy na podkladové mapě. Barevný kód kruhů se mění s úrovní koncentrace. Naměřené koncentrace jsou zobrazeny jako čísla v kruzích (viz Obrázek 5). Platforma Floreon spojená se snímacími jednotkami CLAIRO ukazuje koncentrace částic (PM1, PM2.5 and PM10), NO2, O3, těkavých organických látek (VOC) a polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU). Uživatelé mají přístup k datům z 25 senzorových stanic na místech v Ostravě a v sousedních městech, kde jsou prováděna pilotní měření.

Platforma zobrazuje také různé podrobné grafy ilustrující základní statistická data z měření (viz Obrázek 6).
Geo-databáze je přístupná na webových stránkách airsens.eu. Data budou přístupná kdykoli v období od 1. září 2019 do roku 2027. Data z platformy Floreon jsou archivována a lze je kdykoli načíst.

                                 

Měření v sousedních městech

Měření znečištění ovzduší budou prováděna také v sousedních městech Ostravsko-karvinské průmyslové aglomerace za účelem získání podkladových údajů, srovnání s ostravskými lokalitami a posouzení podobností a rozdílů v situaci kvality ovzduší. Jako pilotní oblasti bylo zvoleno šest měst, konkrétně Třinec, Opava, Frýdek-Místek, Karviná, Havířov a Rychvald (viz Obrázek 7).

Pro měření ve vybraných městech je k dispozici šest senzorových jednotek. Senzorové skříně jsou přemísťovány z města do města a monitorování probíhá ve dvou městech najednou, přičemž v každém z nich jsou nainstalovány tři skříně. V každém ze spolupracujících měst budou proběhne sběr dat pomocí tří senzorových jednotek po dobu osmi měsíců, které budou zahrnovat zimní i letní období. Senzorové skříně budou umístěny v nejvíce znečištěných oblastech měst, v blízkosti silnic s hustým provozem a hlavních křižovatek.

Sekundárním cílem měření znečištění ovzduší v sousedních městech je rozšíření výsledků projektu CLAIRO napříč Ostravsko-karvinskou průmyslovou aglomerací. Na základě vyhodnocení shromážděných údajů bude pro vybraná města formulován soubor doporučení ohledně možných zásahů do městské zeleně a nejvhodnějších druhů rostlin pro použití v budoucích projektech.
Monitorování mimo Ostravu začalo v Třinci a Opavě, kde byla měření prováděna v období od ledna do srpna 2020. Ve Frýdku-Místku a Karviné momentálně probíhají kroky k instalaci zařízení a zahájení měření.

Klíčové body a závěrečné poznámky

Hlavním úkolem města Ostravy je spolehlivě kvantifikovat dopady vegetace na kvalitu ovzduší. Aby byla zajištěna přesnost modelování a v návaznosti také přesnost předpovědí pro kvantifikované dopady, je použita aplikace modulární sítě senzorů umožňující simultánní měření v reálném čase. Inovativní přístup projektu zahrnuje také použití nové generace senzorových jednotek, které umožňují rychlé a krátkodobé měření. Na rozdíl od standardních procesů měření umožňují tyto senzorové jednotky online monitorování koncentrací látek znečišťujících ovzduší bez nutnosti komplikované laboratorní analýzy.

Monitorovací aktivita v rámci projektu CLAIRO prokázala soulad měření senzorů s měřeními referenčních analyzátorů pevných částic, tedy nejvýznamnější znečišťující látky v cílové oblasti. Přestože se tento systém jeví jako mírně méně spolehlivý pro měření oxidů dusíku a ozonu, měření jsou stále vhodná pro posouzení vlivu dopravy na úrovně koncentrace těchto znečišťujících látek. Realizace projektu potvrdila snadnost instalace a provozu senzorové sítě, jakož i vhodnost dané technologie pro doplňková měření. Ukázalo se, že systém je zvláště užitečný pro detekci míst a časových období s neobvyklými hodnotami koncentrací a pro identifikaci lokálních problémů. Potíže byly zaznamenány převážně při přenosu dat, protože použití současné rádiové sítě LORA vede ke ztrátám dat. V takových případech lze data načíst pouze pomocí pracných offline metod. Přechod na spolehlivější standard GPRS by však zvýšil provozní náklady.

Meteorologické podmínky v zimě 2019 a 2020 a ve zbytku roku 2020 byly atypické, s vyššími teplotami a dvakrát větším množstvím srážek, než je dlouhodobý průměr, jakož i se silným větrem, který napomáhal rozptylu látek znečišťujících ovzduší. Pandemie COVID-19 rovněž přispěla ke zlepšení kvality ovzduší ve srovnání s jinými obdobími utlumením dopravy a průmyslových aktivit. Pro korekci potenciálních odchylek hodlá Technická univerzita Ostrava porovnat údaje naměřené na konci roku 2019 a v průběhu roku 2020 se standardními údaji o kvalitě ovzduší z předchozích několika let, které byly získány ze stanic Českého hydrometeorologického ústavu.

Dlouho se diskutovalo o tom, zda jsou hlavním zdrojem znečištění ovzduší v Radvanicích a Bartovicích ocelárny, nebo zda je znečištění převážně spojeno s domácím vytápěním, místní dopravou a přeshraničním přenosem polutantů. Očekává se, že průběžná měření prováděná v rámci projektu CLAIRO umožní také přesnější posouzení dopadů různých znečišťujících činností na celkovou kvalitu ovzduší v oblasti.

Reference

1 Health Effects Institute (2018) State of Global Air 2018. Special Report. Boston, MA:Health Effects Institute.
https://www.stateofglobalair.org/sites/default/files/soga-2018-report.pdf
2 https://www.health.nsw.gov.au/environment/air/Pages/particulate-matter.aspx
3 Chan, T., et al. (2018) Long-Term Exposure to Ambient Fine Particulate Matter and Chronic Kidney Disease: A Cohort Study. Environmental Health Perspectives. Vol. 126, No. 10.
4 Jeong, S. et al. (2019) PM2.5 Exposure in the Respiratory System Induces Distinct Inflammatory Signaling in the Lung and the Liver of Mice. Journal of Immunology Research. Vol. 2019. Article ID 3486841, pp. 11.
5 Williams, M. A., Salice, C., Reddy, G. (2015) Wildlife Toxicity Assessments for Chemicals of Military Concern. Chapter 24 – Wildlife Toxicity Assessment for Benzo[a]Pyrene. pp.421-437. ISBN 978-0-12-800020-5.
6 US EPA (2017) Toxicological Review of Benzo[a]pyrene. EPA/635/R-17/003Fa. U.S. Environmental Protection Agency. Washington, DC.
https://cfpub.epa.gov/ncea/iris/iris_documents/documents/toxreviews/0136tr.pdf
7 McCallister, M. et al. (2008) Prenatal Exposure to Benzo(a)pyrene Impairs Later-Life Cortical Neuronal Function. Neurotoxicology. 2008 Sep, 29(5): 846–854.
8 https://www.airsens.eu/
9 https://www.smartenvi.eu/?page_id=135
10 https://www.it4i.cz/
11 https://floreon.eu/website/Default.aspx

Autor článku: Tamas Kallay (Expert iniciativy UIA)