[네덜란드] 클라우드소싱 대기 오염 측정 : iSPEX-EU 2015
 네덜란드 레이던 대학(Leiden University) 소속의 연구진이 주도하는 협력 연구는 대기 에어로졸(atmospheric aerosols, tiny particles, 작은 입자)을 측정하는 스마트폰에 추가되는 앱을 이용하는 유럽 전역의 시민운동인 iSPEX-EU 2015를 착수했다. 이러한 시민운동은 높은 공간 및 시간 분해능을 가지는 광범위한 자료 모음을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
대기 에어로졸은 중요한 역할을 하지만, 아직까지 환경, 건강 및 항공 교통 등에 상당한 영향을 끼치는 기후(climate)와 대기 질(air quality)에서의 역할은 충분하게 이해되지 않고 있다. 인공위성 기반의 에어로졸 모니터링은 전 지구를 관할하고 있음에도 불구하고, 공간적 분해능 및 시간적 분해능(수 킬로미터의 지상 분해능으로 하루에 한번 전 지구를 아우르는)이 제한적이며, 에어로졸 입자 특성에 대한 충분한 정보가 결여되어 있다. 따라서 연구진은 다양한 전략이 이러한 현재 직면한 한계를 극복하는 데 필요하다고 밝히고 있다.
2015년 10월 15일까지 운영되는 현재의 iSPEX-EU 프로젝트는 대기 오염의 이해에 기여하기 위하여 일반 대중이 협조하는 원래의 iSPEX-프로젝트의 규모가 확대된 형태이다. 아테네, 바르셀로나, 베오그라드, 베를린, 코펜하겐, 런던, 맨체스터, 밀라노 및 로마 등의 도시가 참여한다.
스마트폰 추가물(smartphone add-ons)은 대기 중 작은 입자를 측정하기 위하여 휴대전화의 카메라, 센서, 컴퓨팅 및 소통 용량 등을 결합된 광학 센서인 분광 편광계(spectropolarimeter)이다.
추가물은 스마트폰 카메라 내부 렌즈에 부가되어 있는 플라스틱 렌즈와 transmission grating foil을 사용하는 슬릿 분광 사진기(slit spectrograph)를 필수적으로 갖추고 있다. 더불어, 사인 곡선(sine curve)으로 모든 스펙트럼을 조절하기 위하여 늘어나는 플라스틱 시트와 폴라로이드 필름의 조합을 포함하고 있다.
이러한 사인 곡선의 상대적인 진폭은 직선 편광 정도(DoLP; degree of linear polarization)로 직접적으로 규모를 확대할 수 있으며, 자체적인 상태는 편광 각도에 의해 결정된다. 엄밀히 말해서, 스펙트럼과 슬릿으로 유입되는 빛의 선형 편광에 대한 모든 정보가 단발로 얻어진다. iSPEX 앱은 편광 정보로부터 유래하는 스펙트럼 정보를 구분한다.
구름이 없는 하늘의 DoLP는 파장(wavelength)의 함수로 측정될 수 있으며, 산란각(scattering angle)의 함수로 하늘의 다른 방향에서 휴대전화의 위치를 확인할 수 있다. 파장과 산란각 모두의 함수로 이러한 DoLP는 에어로졸의 양, 굴절률(refractive index)을 통한 화학 조성과 입자 크기 분포 등을 포함한 기본적인 에어로졸 특성에 대한 독특한 정보를 생성한다.
iSPEX는 다른 행성 및 행성의 대기 관측을 위하여 구축된 매우 정교한 장치인 SPEX(Spectropolarimeter for Planetary EXploration)의 측정 원리를 기반으로 개발됐다. 현재 존재하는 몇 가지 방법 중 하나인 SPEX와 비교하여, iSPEX는 단순하며, 수천 명의 사람들이 쉽게 사용할 수 있도록 고안됐으며, 이 방법은 지구 대기 중 에어로졸을 측정하는 것을 주요 목표로 하는 수단이다.
iSPEX 앱은 참가자들이 구름이 없는 하늘을 조사하도록 지시하는 한편, 휴대전화에 포함되어 있는 카메라가 부착물을 통하여 사진을 찍을 수 있도록 지침을 제공한다. iSPEX 앱을 통하여 얻어진 각 사진은 일광의 선형 편광과 스펙트럼 모두에 대한 정보를 포함한다. 휴대전화 카메라를 이용하여 얻어진 측정은 입자의 양, 입자의 크기 분포 및 입자의 유형 등을 포함한 대기 중 입자의 특성에 관한 독특한 정보를 제공할 수 있다. 이러한 유형의 측정은 환경과 건강에 대한 대기 에어로졸의 영향을 평가하는데 있어서 중요하다.
레이던 대학 연구진이 주도하는 iSPEX-EU 팀은 연구 기관, 환경 부처 등을 포함한 모든 도시의 지역 협력자들과 밀접하게 협력하고 있다. 이러한 파트너에는 NOA/IAASARS(National Observatory of Athens), ICFO(Institute of Photonic Sciences), CREAL(Centre for Research in Environmental Epidemiology), IPB(Institute of Physics Belgrade), MINT Impuls, FUB(Freie Universität Berlin), 덴마크 환경 보호국, IOP(Institute of Physics), STFC-RAL(Science & Technology Facilities Council at the Rutherford Appleton Laboratory), 맨체스터 대학, IAS(Italian Aerosol Society), ISAC-CNR(Institute of Atmospheric Sciences and Climate at the National Research Council of Italy) 등이 포함됐다.
iSPEX 프로젝트는 레이던 대학, NOVA(Dutch Research School for Astronomy), SRON 네덜란드 우주 연구소(SRON Netherlands Institute for Space research), KNMI 국립 네덜란드 기상 연구소(KNMI Royal Netherlands Meteorological Institute), RIVM 보건 및 환경 국립 연구소(RIVM National Institute for Public Health and the Environment) 등의 협력 연구로 수행됐다. iSPEX 추가물은 Bright Led Solutions사가 제조했으며, 앱은 DDQ사가 프로그램을 구축했다.
iSPEX-EU는 유럽연합이 지원하는 프로젝트인 LIGHT2015의 일환으로 조직됐다. LIGHT2015는 빛과 빛을 기반으로 하는 기술의 전 세계적 행사인 International Year of Light and Light-based Technologies 2015 동안 운영되는 많은 활동 중 하나이다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 10일]
[원문보기]
Crowdsourcing air pollution measurements: iSPEX-EU 2015
A collaboration led by researchers at Leiden University in The Netherlands has launched a Europe-wide citizen campaign—iSPEX-EU 2015—to use a smartphone add-on and app to measure atmospheric aerosols (tiny particles), resulting in a broad-based data set with high spatio-temporal resolution.
Atmospheric aerosols play an important but as-yet poorly understood role in climate and air quality, with significant impacts on the environment, health, and air traffic. Satellite-based aerosol monitoring is, despite its global coverage, limited in spatial and temporal resolution (with global coverage up to once a day with a ground resolution of a few kilometers only), and lacks sufficient information on aerosol particle characteristics. Therefore, the researchers say, a different strategy is needed to overcome these current limitations.
The current iSPEX-EU project, which runs until 15 October, is a scaled-up version of the original iSPEX-project that enlisted the general public to contribute to the understanding of air pollution. Participating cities include: Athens, Barcelona, Belgrade, Berlin, Copenhagen, London, Manchester, Milan, and Rome.
The smartphone add-ons are “spectropolarimeters”—optical sensors that, in combination with the phone’s camera, sensors, computing and communications capabilities, measure tiny particles in the atmosphere.
The add-on is essentially a slit spectrograph that uses a transmission grating foil and a plastic lens in addition to the lens inside the smartphone camera. In addition, it contains a combination of stretched (and hence bi-refringent) plastic sheets and Polaroid film to modulate every spectrum by a sine curve.
The relative amplitude of this sine curve directly scales with the degree of linear polarization (DoLP), and its phase is determined by the polarization angle. As such, all the information on both the spectrum and the linear polarization of the light entering the slit is obtained in a single shot. The iSPEX app disentangles the spectral information from the polarization information.
The degree of linear polarization (DoLP) of the cloud-free sky can be measured as a function of wavelength and, by pointing the phone at different directions in the sky, as a function of scattering angle. This DoLP as a function of both wavelength and scattering angle yields unique information on fundamental aerosol properties, including the amount of aerosol, and also the particle size distribution and the chemical composition (through the refractive index).
iSPEX is developed building upon the measurement principles of the Spectropolarimeter for Planetary EXploration (SPEX), a highly sophisticated instrument built for the observation of other planets and their atmospheres. In comparison to SPEX, of which there exist only a few in the world, iSPEX is simple and designed to be available and used by thousands of people, and it is primarily meant for the measurement of aerosols in Earth atmosphere.
The iSPEX app instructs participants to scan the cloud-free sky while the phone’s built-in camera takes pictures through the add-on. Each picture taken through the iSPEX add-on contains information on both the spectrum and the linear polarization of the sunlight. The measurements taken using the phone camera can provide unique information about the properties of the particles in the air, including the amount of particles, their size distribution and the type of particles. This type of measurement is crucial in assessing the impacts of atmospheric aerosols on environment and health.
The iSPEX-EU team, led by Leiden Observatory, is working closely with local partners in all cities, including research organizations and environmental protection agencies. These partners include the National Observatory of Athens (NOA/IAASARS); ICFO—the Institute of Photonic Sciences; the Centre for Research in Environmental Epidemiology (CREAL); the Institute of Physics Belgrade (IPB); MINT Impuls; Freie Universität Berlin (FUB); the Danish Environmental Protection Agency; The Institute of Physics (IOP); the Science & Technology Facilities Council at the Rutherford Appleton Laboratory (STFC-RAL); the University of Manchester; the Italian Aerosol Society (IAS); Cittadini per l’Aria; and the Institute of Atmospheric Sciences and Climate at the National Research Council of Italy (ISAC-CNR).
The iSPEX project is a collaboration between Leiden University (LU), the Dutch Research School for Astronomy (NOVA), SRON Netherlands Institute for Space research, KNMI Royal Netherlands Meteorological Institute, and RIVM National Institute for Public Health and the Environment, all in The Netherlands. The iSPEX add-ons were produced by Bright Led Solutions and the app was programmed by DDQ, both in the Netherlands.
iSPEX-EU is organized as part of the EU-funded project LIGHT2015 and is one of the many activities running during the International Year of Light and Light-based Technologies 2015, a worldwide celebration of light and light-based technologies this year. |
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