도로는 교통, 대중교통 및 사람들로 가득 찬 보도 등으로 혼잡하다. 뿐만 아니라 당신이 호흡하는 동안 조기 사망 위험을 추가시킨다. 대기 오염(air pollution)은 전 세계에서 가장 큰 단일 환경 건강 위험으로 세계 보건 기구(WHO; World Health Organization)가 2014년 발표한 수치에 따르면, 8 건의 사망 중 1 건의 사망이 대기 오염으로 유발된다. 영국에서 30,000명의 인구가 열악한 대기 질의 결과로 매년 조기 사망하고 있으며, 국민 의료 보험과 보다 더 폭넓은 범위의 경제가 매년 수십 억 달러의 비용을 지출하고 있다.
교통은 대기 오염을 일으키는 주범이다. 그러나 산업, 가정용 난방, 동력 생산 및 연소 등 역시 모두 대기 오염에 기여한다. 그리고 비록 오염의 효과가 대도시에서 특히 스모그가 낀 날에 현저하다고 할지라도, 약간만 더 높은 수준으로 수십 년에 이르는 노출은 심장 질환과 폐질환, 심장마비와 암 등의 위험을 증가시킬 수 있다.
우리가 염려하는 요인을 연구하고, 우리가 어떻게 개입할 수 있는지를 연구하기 위하여, 우리는 어떻게 측정할 것인가에 대하여 다시 생각할 필요가 있다고 대기 과학자인 Rod Jones 교수는 설명했다.
영국에서, AURN(Automatic Urban and Rural Network)은 시시각각 귀중한 대기 질 평가를 제공했다. 그러나 영국 전역의 고정된 위치에서 단 171개 모니터링 기지에 대하여 이루어졌으며, 시골의 거대한 지역은 다루어지지 않았다. 비용은 보다 더 높은 밀도의 네트워크를 개발하는 데 주요 한계로 작용했다.
이러한 현상을 고려하여, Jones 연구팀은 산업계 파트너 및 다른 대학 등과 공동으로 주머니의 들어가기 충분할 정도로 작은 저비용 오염 검출기(low-cost pollution detector)를 개발했다. 새롭게 개발된 저비용 오염 검출기는 도로 기준에 대한 대기 질(air quality)에서 발생하는 작은 변화를 감지하기 충분할 정도로 민감하며, 장기적인 정지상 검출기로서 도시 주변에 설치될 수 있을 정도로 안정적이다. 연구 결과는 현재 유럽과 북아메리카 전역의 주요 도시에서 대기 질을 개선하는 것을 목표로 하는 연구 프로젝트로 정보를 제공하고 있다.
검출기는 ppm(parts-per-million) 수준에서 독성 기체를 감지할 필요가 있는 장소에서 산업 안전(industrial safety)을 위한 프로젝트 파트너인 Alphasense사가 개발한 전기화학적 센서를 기반으로 하고 있다. 그러나 대기 질에 대한 모니터링은 ppb(parts-per-billion) 수준의 민감도가 요구된다. Jones와 Alphasense사 기술 책임자인 John Saffell 박사는 보다 더 낮은 농도 수준에서 새롭게 개발된 센서를 사용할 수 있으며 낮은 비용 수준을 유지할 수 있다고 밝혔다.
연구팀이 개발했던 전기화학적 장치는 일산화탄소, 질소화합물 및 오존 등을 포함한 광범위한 범위의 오염물질을 측정할 수 있으며, 자동차와 대형 트럭으로부터 배출되는 입자상 물질(particulates)을 검출하기 위하여 하트퍼드셔 대학(University of Hertfordshire)이 개발한 레이저 기술(laser technology)을 포함하고 있다. GPS 안테나의 추가는 대기 질 자료와 위치를 동시에 지도로 작성할 수 있게 해주었다.
일련의 개념 증명 연구가 이어졌다. 개인 장치(personal devices)는 자전거에 끈으로 고정되어 자동차와 버스로 수송됐으며, 정지상 장치(static devices)는 중요한 오염 지역과 도로에 배치 또는 가로등 기둥에 부착됐다. 50개의 정지상 장치 역시 전 세계 가장 붐비는 공항 중 하나인 런던 히스로 공항(London Heathrow Airport)에서 22개월 동안 자료를 기록하기 위하여 공항 주변에 배치됐다.
이것은 높은 밀도의 네트워크로 실제 상황에서 테스트됐던 최초의 기술이었다고 Jones는 밝혔다. 연구팀은 핫스팟을 포함한 도시 환경 주변을 이동할 때 사람들이 마닥뜨리는 오염에 대한 노출에서 거대한 가변성(variability)을 확인할 수 있었다고 Jones는 덧붙였다. 히스로 공항에서, 연구팀은 하루 동안 공항의 점등과 소등, 이륙, 풍향 효과 및 주변 자동차 도로 교통 등을 확인할 수 있었다.
연구팀은 센서 성능이 새로운 기회를 생성할 수 있다는 것을 발견했다. Jones와 동료 연구진은 기준 신호로부터 국부적인 오염을 분리해낼 수 있는 새로운 스마트 소프트웨어 방법을 개발해야만 했으며, 이후 네트워크 전체에 대하여 센서를 보정할 필요가 있었다. 더불어, 연구팀은 실시간으로 검출을 수행하여 자료를 수집한 후 자료를 처리하기 위하여 이동해야만 했다.
연구팀은 전 세계 주도적인 대기 질 모델링 소프트웨어 개발자인 케임브리지 환경 연구 컨설턴트(Cambridge Environmental Research Consultants)와 공동으로 오염 확산의 이해를 강화하기 위하여 모델 출력과 함께 오염 모니터링 연구로 생성된 이례적인 수준의 자료를 대기 질 모델링 소프트웨어에 결합시켰다.
예를 들면, 센서는 버스 노선을 따라 오염이 버스 차량에 대한 배기가스 처리 공정을 개선했을 때 오염이 완화됐는지, 매우 높은 건물 상층에 거주하는 사람들이 도로 수준에 거주하는 사람보다 더 많은 또는 더 적은 오염을 경험하는지, 연구의 경로를 어느 정도 변경하는 것이 개인의 노출에 영향을 끼칠 수 있는지 등에 대한 질문을 수행하는데 사용될 수 있다.
2014년 환경 모니터링 장치로 최초의 상용 제품인 AQMesh가 출시됐다. AQMesh는 10초마다 시료를 포집하기 위하여 Alphasense사가 개발한 센서를 사용했으며, 자료의 처리는 케임브리지 연구팀이 개발한 것과 유사한 클라우드 컴퓨팅 소프트웨어를 이용하여 실시간으로 수행됐다.
2006년 프로젝트가 시작됐을 때, 대기 질 모니터링에 대한 다른 접근을 요구하는 목소리가 있었다고 Geotech 소속의 Amanda Randle은 설명했다. 케임브리지 연구팀과 Alphasense사는 센서의 완전한 가능성을 이해하기 위하여 연구팀에 도움을 제공했으며, 현재 연구팀은 필요한 장소에 정확하게 배치될 수 있으며, 귀중한 정보를 제공할 수 있는 제품을 보유하고 있다.
한편, 연구진이 히스로 공항에서 시범 연구 중 개발했던 방법론은 유럽 전역 8개 도시에 무선 네트워크를 제공하는 EU가 지원하는 프로젝트인 CITI-SENSE에 기여했다. CITI-SENSE 프로젝트는 27개 파트너 기관을 포함하고 있다. 유럽 전역의 시민이 개인 모니터를 통하여 자료 수집에 참여할 것이며, 지역 사회에서 의사 결정을 수행하는데 학교와 도시 공공장소와 같은 공간에 대한 모니터링 방안으로 선택될 것이다.
건강에 대한 열악한 대기 질의 효과가 잘 규명됐다고 하더라도, 대기 질 문제의 규모에서 반박할 수 없는 증거와 개선할 수 있는 전략의 이득이 시급하게 필요하다고 Jones는 덧붙였다. CITI-SENSE는 도시가 어떻게 반응하는지에 대한 지침을 제공하기 위하여 시민의 힘을 이끌어내고, 온라인으로 운영되는 새로운 기술에 대한 테스트 장소를 제공한다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 6월 11일]
[원문보기]
Bad air day? Low-cost pollution detectors to tackle air quality
Rush hour can be maddening. Roads congested with traffic, public transport overcrowded, pavements heaving with people. But as well as the frustration, there’s a sinister side to the commute to work: every breath you take could be adding to your risk of dying prematurely.
Air pollution is the world’s largest single environmental health risk, causing one in every eight deaths according to figures released last year by the World Health Organization. In the UK, 30,000 people die prematurely every year as a result of poor air quality, and it costs the NHS and wider economy many billions each year.
Traffic is the main culprit; however, industry, domestic heating, power generation and burning are all contributors to pollution. And although the effects of pollution might be noticeable on a particularly smoggy day in a large city, decades of exposure to only slightly higher levels – a level we wouldn’t even notice – can increase the risk of heart and lung diseases, stroke and cancer.
“To work out the factors we should be worried about, and how we can intervene, we need to rethink how we measure what’s going on,” explains atmospheric scientist Professor Rod Jones.
In the UK, the Automatic Urban and Rural Network provides valuable hour-by-hour assessments of air quality. But with only 171 monitoring stations at fixed sites nationwide, large areas of the country remain uncovered. Cost is the main limitation to developing a higher density network.
With this in mind, Jones’ team, together with industrial partners and other universities, has been developing low-cost pollution detectors that are small enough to fit in your pocket, stable enough to be installed as long-term static detectors around a city, and sensitive enough to detect small changes in air quality on a street-by-street basis. Their findings are now informing research projects aimed at improving air quality in major cities across Europe and North America.
The detectors are based on electrochemical sensors developed by project partner Alphasense for industrial safety, where detection of toxic gases is needed at the parts-per-million level. Monitoring air quality, however, requires parts-per-billion sensitivity. “Rod and I had the confidence to believe that we could push our sensors to lower concentration levels, and yet keep sensor costs low,” says Dr John Saffell, Technical Director at Alphasense.
The electrochemical devices the team developed can measure a wide range of pollutants, including carbon monoxide, nitrogen dioxide and ozone, and they contain laser technology (developed by the University of Hertfordshire) to detect particulates from cars and lorries. The addition of a GPS aerial allows air quality data and location to be mapped simultaneously.
A series of proof-of-concept studies followed. Personal devices were strapped to bicycles, carried in cars and on buses, and static devices were attached to lampposts and stationed at roadsides and at critical pollutant sites. Fifty static devices were also deployed around London Heathrow Airport to record 22 months in the life of one of the busiest airports in the world.
“This was the first time technology like this had been tested in real-world situations as a high-density network,” says Jones, whose research at Heathrow was funded by the Natural Environment Research Council. “We could see huge variability in the exposure to pollution that people encounter as they move around the urban environment, including ‘hotspots’.
At Heathrow, we could see the airport turning on and off during the day, individual aircraft taxing and taking off, and the effects of wind direction and the perimeter and M25 motorway road traffic.”
They also discovered that sensor performance can create new opportunities. Jones and colleagues had to develop new smart software methods capable of separating local pollution events from background signals (pollution transported from long range) and then to calibrate sensors across networks. Plus, they needed to move from being able to process the data after it has been collected to doing so in real-time.
The team has been working with Cambridge Environmental Research Consultants – developers of world-leading air quality modelling software – combining the unprecedented level of data created by the pollution-monitoring studies with model output to enhance the understanding of pollution dispersion.
For instance, sensors can be used to ask whether pollution along bus routes is improved by upgrading the exhaust processing on a bus fleet; whether people living at the top of high-rise buildings experience more or less pollution than people at street level; and to what extent changing a route to work, even from one side of the road to another, can affect an individual’s exposure.
Last year, the first commercial product (AQMesh) was released by UK manufacturer Geotech, which specialises in environmental monitoring equipment. AQMesh uses Alphasense sensors to sample every 10 seconds, and data processing is carried out in real-time using cloud computing software similar to that developed by the Cambridge team.
“When the project started in 2006 there were lone voices calling for a different approach to air quality monitoring,” explains Geotech’s Commercial Manager Amanda Randle. “The Cambridge team and Alphasense helped us to understand the sensor’s full potential, and now we have a product that can be placed exactly where it’s needed and provides valuable information.”
And now the approach pioneered in Cambridge is helping to inform two of the largest air quality research studies of their kind.
The AirSensa project, run by the non-profit organisation Change London, aims to deploy large numbers of air quality sensors across the whole of Greater London. Alphasense is providing the sensors and supporting the engineering; and Cambridge is helping with data interpretation in a project whose ethos is “you can’t manage what you can’t measure.”
Meanwhile, the methodologies the researchers developed in the pilot study at Heathrow are contributing to CITI-SENSE, an EU-funded €12.7 million project providing wireless networks to eight cities across Europe. CITI-SENSE involves 27 partner institutions from academia, the healthcare sector and industry (including Alphasense and Geotech), as well as the general public. Citizens across Europe will be involved in data collection through personal monitors and in community decision-making to choose monitoring solutions for spaces such as schools and urban public spaces.
“Even though the effects of poor air quality on health are well known, irrefutable evidence of the scale of the air quality issue and the benefits of ameliorating strategies is urgently needed,” adds Jones. “CITI-SENSE provides a test-bed for both rolling out the new technologies that are coming online and for drawing on the ‘power of the Citizen’ to guide how society responds.”
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