大気汚染測定

南オーストラリア州ポートピリーの空気質監視センサー

大気汚染測定とは、大気汚染物質、特にガスや粒子状物質を収集・測定するプロセスです。汚染測定に使用された最も初期の機器には、雨量計（酸性雨の研究に使用）、煙を測定するリンゲルマン線図、そしてデポジットゲージと呼ばれる簡素な煤塵・塵埃収集器などがあります。[1]現代の大気汚染測定は大部分が自動化されており、様々な機器や技術を用いて行われています。これらの機器や技術には、拡散管と呼ばれる簡素な吸収試験管から、ほぼリアルタイムで汚染測定値を提供し、大気質指標を生成する高度な化学・物理センサーまで、多岐にわたります。

測定の重要性

リアルタイムの大気汚染測定値を集約したスマートフォンアプリを使えば、都市内で最も汚染の少ないルートを見つけることができます。

大気汚染は多くの要因によって引き起こされます。都市環境では、汚染には多くの成分が含まれますが、特に固体および液体の粒子（エンジンから出る煤や焼却炉から出るフライアッシュなど）と、多数の異なるガス（最も一般的なのは二酸化硫黄、窒素酸化物、一酸化炭素で、すべて燃料の燃焼に関連）が含まれます。これらの異なる形態の汚染は、人々の健康、自然界（水、土壌、作物、樹木、その他の植物）、および構築された環境に異なる影響を及ぼします。[2]大気汚染を測定することは、その原因を特定し、大気の質を法的制限（米国環境保護庁などの規制当局によって義務付けられている）または世界保健機関（WHO）などの機関によって示唆された勧告ガイドライン内に保つために、それらを軽減または規制するための第一歩です。 [3] WHOによると、現在、117か国の6000以上の都市で大気の質が定期的に監視されています。[4]

測定の種類

大気汚染は（大まかに）受動的と能動的の2つの異なる方法で測定されます。[5]

受動測定

拡散管は受動型大気汚染モニターの一例です。

受動的な装置は比較的単純で低コストである。[6]周囲の空気のサンプルを吸い取るか、あるいは受動的に収集することで機能し、収集されたサンプルは実験室で分析する必要がある。最も一般的な受動的な測定方法の一つは拡散管である。これは実験室の試験管に似ており、街灯柱などに固定して、1つまたは複数の特定の汚染ガスを吸収する。一定期間後、拡散管は引き抜かれ、分析のために実験室に送られる。最も古い汚染測定方法の一つである堆積ゲージは、別のタイプの受動装置である。[7]これはすすやその他の微粒子を収集してサンプリングボトルに排出する大きな漏斗であり、このサンプリングボトルも実験室で分析する必要がある。[7]

アクティブ測定

能動測定装置は自動または半自動で、受動装置よりも複雑で高性能である傾向がありますが、必ずしも感度や信頼性が高いとは限りません。[6]ファンで空気を吸い込み、フィルター処理した後、その場で自動的に分析するか、収集して保管し、後で実験室で分析します。能動センサーは、物理的方法と化学的方法のいずれかを使用します。[8]物理的方法は、例えば特定の波長の光がどれだけ吸収されるかを見ることで、空気サンプルを変化させることなく測定します。化学的方法は、化学反応を通じてサンプルに何らかの変化を与え、それを測定します。ほとんどの自動化された空気質センサーは、能動測定の例です。[5]

空気質センサー

空気質センサーは、小型のハンドヘルドデバイスから都市部の大規模な静的監視ステーション、飛行機や宇宙衛星で使用される遠隔監視デバイスまで多岐にわたります。

個人用空気質センサー

センサーと回路基板を示すエアクオリティエッグの大気汚染モニター
Air Quality Egg は、低コストの個人用大気汚染センサーの一例です。

規模の一方では、Air Quality EggやPurpleAirなど、小型で安価なポータブル（場合によってはウェアラブル）でインターネットに接続された大気汚染センサーがあります。 [9]これらは継続的に粒子状物質とガスをサンプリングし、スマートフォンアプリで分析できる、適度に正確でほぼリアルタイムの測定値を生成します。[10]これらのデータは、単独または他の汚染データと組み合わせてクラウドソーシング方式で使用し、広い地域の汚染マップを作成することもできます。[11] [12]これらは屋内と屋外の両方の環境で使用でき、大部分はオゾン、粒子状物質、一酸化炭素、二酸化硫黄、二酸化窒素の5つの一般的な大気汚染の形態の測定に重点を置いています。[13]ラドンガスやホルムアルデヒドなどのあまり一般的ではない汚染物質を測定するものもあります。[14]

このようなセンサーはかつては高価でしたが、2010年代には、個人が身に着けて地域の空気質を監視できる、より安価な携帯型デバイスが普及しました。これらは現在、非公式に低コストセンサー（LCS）と呼ばれることもあります。[9] [15]欧州委員会の共同研究センターによる最近の調査では、77のメーカーが製造した112の製品が特定されました。[16]

個人用センサーは、個人や地域社会が大気汚染への曝露環境とリスクをより深く理解する力となります。[17]例えば、UCSDのウィリアム・グリズウォルド率いる研究グループは、16人の通勤者に携帯型大気汚染センサーを配布し、建物が汚染物質を閉じ込める「都市の谷」を発見しました。また、バスの乗客は自動車の乗客よりも大気汚染への曝露が高いことも発見しました。[18]

小規模静的汚染モニタリング

ポーランドのEkoSłupek大気汚染センサー。
ポーランドのEkoSłupek大気汚染センサー。緑色のライトは、付近の空気の質が良好であることを示しています。

場所から場所へと持ち運ばれる低価格のモニターとは異なり、固定式モニターは特定の都市部における空気質を継続的にサンプリングし、測定します。混雑した鉄道駅などの公共の場では、プラットフォームの脇に常設されたアクティブ型空気質モニターが設置され、二酸化窒素などの汚染物質のレベルを測定することがあります。[19]一部の固定式モニターは、地域の空気質に関する即時フィードバックを提供するように設計されています。ポーランドでは、エコスウペク空気モニターが様々な汚染ガスや粒子状物質を測定し、上部に取り付けられた小さなランプが赤から緑に変化することで、周辺の空気の健康状態を知らせます。[20]

大規模汚染監視

ロンドンのシャフツベリー・アベニューにある大気汚染監視ステーション

低コストのセンサーとは対極に位置するのが、大型で非常に高価な、街路沿いに設置された静的な監視ステーションです。これらのステーションは、地方自治体のために都市部の大気中に一般的に存在する様々な汚染物質を常時サンプリングしており、ロンドン大気質ネットワーク[21]や、より広範な英国のネットワークである自動都市農村ネットワーク（AURN）[22]などの大都市圏の監視システムを構成しています。 米国では、EPA（環境保護庁）が大気質システム（AQS）を通じて大気質データのリポジトリを管理しており、1万台以上のモニターからのデータが保管されています。[23]欧州環境機関は、大陸全土の3,500の監視ステーションから大気質データを収集しています。[24]

このようなセンサーによる測定ははるかに正確で、ほぼリアルタイムで行われ、大気質指数（AQI）の生成に使用されます。大規模な固定式センサーと小型のウェアラブルセンサーという両極端の中間に位置するのが、中型のポータブルモニター（大型の車輪付きケースに搭載されている場合もある）であり、「スモッグモバイル」のサンプリングトラックに組み込まれているものもあります。[25]

最近、タクシー、バス、路面電車などの車両にセンサーを搭載したドライブバイ大気汚染センシングシステムが、大気質モニタリングの有望なアプローチとして登場しています。[26]特にバスは、その広範な利用可能性と広範囲な地理的カバレッジにより、モバイルセンシングプラットフォームとして大きな注目を集めています。[27]

リモート監視

大気質は、 LIDAR [28] 、ドローン[29]、人工衛星などを用いて、ガスフィルター相関法などを用いて空中から遠隔測定することもできる。 [30]衛星による大気汚染モニタリングの最も初期の取り組みとしては、 1995年にESAの欧州リモートセンシング衛星（ERS-2）から地球（対流圏）のオゾン濃度を測定したGOME（全球オゾンモニタリング実験） [31]や、同じく1990年代に地球の下層大気中の一酸化炭素の分布を測定したNASAのMAPS（衛星による汚染マッピング）[32]などがある。

NASAのテラ衛星に搭載された多角度撮像分光放射計（MISR）を用いて、2016年にニューデリーで深刻な大気汚染を測定

さまざまな汚染物質の測定方法

大気汚染物質の各成分は、それぞれ異なるプロセス、機器、または化学反応によって測定する必要があります。汚染物質の測定に使用される分析化学技術には、ガスクロマトグラフィー、様々な種類の分光分析法、分光法、分光光度法、炎光光度法などがあります。

微粒子

20世紀後半まで、煙突などから発生する煤の量は、灰色の濃淡を示す罫線が引かれたカードをかざすという、比較的大まかな方法​​で目視で測定されることが多かった。これは発明者のマックス・リンゲルマンにちなんでリンゲルマン・チャートと呼ばれ、6段階のスケールで煙の量を測定するものだった。[33]

リンゲルマンチャートは、19 世紀末に煙突や煙突からの煙を測定するために開発されました。

現代の大気汚染監視ステーションでは、粗粒子（PM 10）と微細粒子（PM 2.5 ）の測定に、テーパードエレメント振動式微量天秤（TEOM）と呼ばれる装置が用いられています。この装置は、ガラス管をベースとし、集積された粒子が集積するにつれて振動が増減します。粒子は、光サンプルからの反射光を測定する光学式光検出器（粒子が大きいほど多くの光を反射する）や重量分析（フィルター上に集積し重量を測定する）など、他の種類の粒子状物質サンプラーを用いて測定することもできます。[34]ブラックカーボンは通常、エサロメーター型の機器を用いて光学的に測定されます。[35]

超微粒子（PM 0.1よりも小さく、一般的に直径100ナノメートル未満）は、これらの技術の一部では検出・測定が困難です。通常、超微粒子は凝縮粒子計数器によって測定（または計数）されます。凝縮粒子計数は、蒸気を粒子に凝縮させることで粒子を効果的に拡大し、より大きく、より容易に検出できる液滴を作る装置です。[36] [37]

粒子サンプルの原子組成は、X線分光法などの技術で測定できます。[38]

二酸化窒素

二酸化窒素（NO
2）は拡散管を用いて受動的に測定することができるが、サンプル採取、分析、結果出力には時間がかかる。[39] [40] ISO 6768:1998に規定されているグリース・サルツマン法、[41] [42]またはジェイコブス・ホッハイザー法[43]によって手動または自動で測定することができる。

化学発光分析装置を使えば、より迅速に自動測定することも可能です。化学発光分析装置は、放出される光から窒素酸化物濃度を判定します。例えば英国では、 NO濃度が測定されている場所が200か所以上あります。
2化学発光によって継続的に監視される。[44]

ネバダ州リノの大気汚染監視ステーション。空気取り入れ口とセンサーが示されています。
大気監視ステーションは、複数の汚染物質を採取し、測定します。ネバダ州リノにあるこのステーションは、一酸化炭素、オゾン、微粒子および粗粒子（PM 2.5およびPM 10）、二酸化窒素を監視しています。

二酸化硫黄と硫化水素

二酸化硫黄（SO2 ）は蛍光分光法によって測定されます。これは、空気サンプルに紫外線を照射し、発生した蛍光を測定する方法です。[45]吸光分光光度計もSO2の測定に用いられます。炎光光度計は、空気中の他の硫黄化合物の測定に用いられます。[46]二酸化硫黄を測定する従来の方法では、ヨウ素、過酸化水素、または四塩化水銀酸ナトリウムもしくはカリウムを入れたガラス瓶に空気サンプルを通す方法がありました。[47] [48]

一酸化炭素と二酸化炭素

バーミンガム・ニューストリート駅の二酸化炭素と二酸化窒素のセンサー

一酸化炭素（CO）と二酸化炭素（CO2 ）は、ビール・ランバートの法則に基づく非分散赤外線（NDIR）光吸収によって測定されます。[49] COは、家庭用一酸化炭素検知器に使用されている電気化学ゲルセンサーや金属酸化物半導体（MOS）検出器を使用して測定することもできます。[50]

オゾン

オゾン（O3）は、周囲の空気サンプルがどれだけの光を吸収するかを見ることで測定されます。[51]ランバート・ビールの法則によれば、オゾンの濃度が高いほど、より多くの光を吸収します。

揮発性有機化合物（VOC）

これらはガスクロマトグラフィーと水素炎イオン化法（GC-FID）を用いて測定される。[52]

炭化水素

炭化水素はガスクロマトグラフィーや水素炎イオン化検出器で測定できる。[53] [54]メタン（CH
4）、NMHC（非メタン炭化水素）、およびTHC（総炭化水素）排出量（THCはCH
4およびNMHC排出量）。[53]

アンモニア

アンモニア（NH
3）は化学発光法を含む様々な方法で測定することができる。[55]

自然測定

ロバリア・プルモナリアなどの地衣類は、大気汚染に敏感です。

大気汚染は、汚染された空気が地衣類やコケなどの生育植物に与える影響を観察することで、より定性的に評価することもできます（バイオモニタリングの一例）。[56] [57] [58]一部の科学プロジェクトでは、イチゴなどの特別に栽培された植物が使用されています。[59]

測定単位

大気中に存在する汚染物質の量は通常、濃度で表され、ppb（10億分の1）またはppm（100万分の1、体積混合比とも呼ばれる）またはμg/m 3（立方メートルあたりマイクログラム）で測定されます。これらの単位を他の単位に変換するのは、気体の種類や分子量、温度、圧力の違いを考慮すれば比較的簡単です。 [60]

これらの単位は、大気汚染の濃度を汚染物質の質量または体積で表し、二酸化窒素などのガス状汚染物質や、粗粒子（PM 10）および微細粒子（PM 2.5）の測定に広く用いられています。粒子の代替測定単位である粒子数は、空気の体積あたりの粒子数で濃度を表すもので、毒性の高い超微粒子（PM 0.1 、直径0.1μm未満）の健康被害を評価するより有意義な方法となります。[ 61 ] [ 62]粒子数は、凝縮粒子カウンターなどの機器で測定できます。[36] [37]

都市大気質指数（AQI）値は、一般的な大気汚染物質（通常はオゾン、一酸化炭素、二酸化硫黄、窒素酸化物、微粒子と粗微粒子の両方）の濃度を組み合わせたり比較したりして計算され、わかりやすい（多くの場合、色分けされた）スケールで単一の数値を生成します。[63]

歴史

大気汚染の測定に使用された初期の堆積計。写真はショーとオーウェンズ著『大都市の煙問題』 （1925年）より。

大気汚染は19世紀にイギリスで初めて体系的に測定されました。1852年、スコットランドの化学者ロバート・アンガス・スミスは、雨のサンプルを採取し、石炭燃焼による硫黄が多量に含まれていることが判明したことから、酸性雨を発見（そして命名）しました。デイビッド・ファウラーらによる大気汚染年表によると、スミスは「汚染された大気の化学的気候学について、複数の地点、複数の汚染物質を対象とした調査を試みた最初の科学者」でした。[64]

20世紀初頭、アイルランドの医師であり環境技術者でもあったジョン・スウィッツァー・オーエンズと、彼が委員長を務めていた大気汚染調査委員会は、堆積物計網を用いた大気汚染の測定と監視を大きく進歩させました。オーエンズはまた、汚染を測定するための新たな手法も数多く開発しました。[65]

1952年12月、ロンドン大スモッグが発生し、1万2000人が死亡しました。[66]この事件、そして1948年にアメリカ合衆国で発生したドノラ・スモッグの悲劇[67]といった類似の事件は、環境史における大きな転換点の一つとなりました。なぜなら、これらの事件は公害対策の抜本的な見直しをもたらしたからです。英国では、ロンドン大スモッグが大気浄化法の制定に直接つながり、その影響は当初の意図よりもさらに広範囲に及んだ可能性があります。[68]このような壊滅的な出来事は、大気汚染の測定と管理がより厳格に行われることにつながったのです。[64]

参照

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  • 科学技術スポットライト：空気質センサー
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