انگشت‌نگاری از متهمان آلودگی هوا

اما همه ساله بیش از 4.5 میلیون نفر بر اثر آلودگی هوا جان خود را از دست می‌دهند و به همین علت چهارمین عامل مرگ و میر انسان در سطح دنیا شناخته شده است. افزایش جمعیت، توسعه شهرها، افزایش ترافیک شهری، افزایش بی‌رویه مصرف انرژی و تغییرات آب و هوایی ازجمله عواملی است که به طور مستقیم یا غیرمستقیم در آلودگی هوا نقش ایفا می‌کند.

مقابله با آلودگی هوا بدون شناخت متهمان اصلی آن امکان‌پذیر نخواهد بود. در سال‌های اخیر، تلاش برای استفاده از سیستم‌های مختلف جهت شناسایی و تعیین غلظت آلاینده‌های هوا مورد توجه قرار گرفته است.

در همین خصوص محققان یک شرکت دانش‌بنیان در پارک علم و فناوری خلیج فارس به روش نوینی برای شناسایی و تعیین غلظت آلاینده‌های موجود در هوا دست یافته‌اند. با امین صفایی، دانش‌آموخته کارشناسی ارشد فیزیک اتمی مولکولی و مجری این طرح گفت‌وگو کرده‌ایم تا با این سیستم و عملکرد آن بیشتر آشنا شویم.

روشی نوینی که برای سنجش آلاینده‌های هوا به سراغ آن رفته‌اید، چیست؟

در حقیقت ما توانسته‌ایم با روشی جدید یعنی از طریق تاباندن نور به محیط و دریافت نور بازتاب شده، گازهای آلاینده در هوا را شناسایی و ردیابی کنیم. در امتداد پرتو نوری که از منبع نور وارد هوا می‌شود آینه‌ای قرار می‌گیرد و نور بازتابیده را آنالیز می‌شود. براساس اطلاعات دریافتی از آنالیز نور می‌توانیم غلظت آلاینده‌های مهم هوا را محاسبه کنیم که شیوه جدیدی برای سنجش آلاینده‌های هوا محسوب می‌شود.

طیف‌سنجی چگونه می‌تواند به عنوان روشی برای سنجش آلاینده‌ها مورد استفاده قرار گیرد؟

طیف‌سنجی یکی از روش‌هایی است که در آن با استفاده از برهم‌کنش نور با مواد مختلف می‌توان به اطلاعاتی درباره ماهیت این مواد دست یافت. در این روش پرتو نور به ماده مورد نظر تابانده می‌شود و با بررسی میزان بازتابش، جذب یا انتشار نور می‌توان به اطلاعاتی درباره آن ماده دست پیدا کرد.

استفاده از طیف‌سنجی برای شناسایی نوع و میزان آلاینده‌های موجود در هوا، شیوه جدیدی است که در بسیاری از کشورها مورد توجه قرار گرفته، اما اولین بار است که در کشور از این روش برای سنجش آلودگی هوا استفاده می‌شود.

پس این اولین بار در جهان نیست که استفاده از این روش مورد توجه قرار می‌گیرد؟

نه، به هیچ وجه. استفاده از روش طیف‌سنجی جذبی دیفرانسیلی برای سنجش آلاینده‌های هوا روشی است که اکنون در بعضی کشورها در سطح دنیا مورد توجه است، اما تاکنون استفاده از این روش خیلی فراگیر نبوده است، چراکه تامین نور مورد نیاز برای این سیستم مستلزم اختصاص هزینه قابل توجهی بود که خوشبختانه امروزه ساخت این منابع مانند لامپ‌های لیزری مقرون به‌صرفه‌تر از گذشته شده است.

البته این روش ازجمله روش‌های مدرن و جدید است. کشور ما نیز از اولین کشورهایی است که در طراحی و ساخت این سیستم پیشقدم شده است.

اساس عملکرد روش‌های فعلی چیست؟

روش‌هایی که اکنون در کشور مورد استفاده قرار می‌گیرد بیشتر براساس نمونه‌گیری و آنالیز نمونه هواست، اما این روش برخلاف دیگر روش‌های مشابه به نمونه‌گیری نیاز ندارد. علاوه بر این می‌تواند محدوده بزرگ‌تری را مورد سنجش قرار دهد و در مقایسه از سرعت بالاتری برخوردار است.

یکی از روش‌هایی که می‌توان برای تشخیص گازهای آلاینده هوا از آن استفاده کرد، طیف‌سنجی به وسیله نور است. در روش طیف‌سنجی از برهم کنش نور با ماده می‌توان به عنوان روشی برای شناسایی گازهای مختلف استفاده کرد.

هر گاز در ناحیه بخصوصی از طیف نور، بخشی از آن را به خود جذب می‌کند که می‌توان گفت به مثابه اثر انگشت هر گاز است. یعنی ما اثر انگشت هر گاز را داریم و می‌دانیم در کدام ناحیه از طیف نور این گاز می‌تواند نور تابیده شده را به خود جذب کند. در مسیر رفت و برگشت نور، تاثیر گازهای مختلف روی پرتو نور تابیده شده و بازتاب آن را مورد بررسی قرار می‌دهیم. به این ترتیب براساس اثر انگشت گازهای مختلف به عنوان داده‌های اولیه، نوع گازهای آلاینده موجود در محیط را شناسایی می‌کنیم.

پس مزیت این روش تنها به افزایش سرعت اندازه‌گیری محدود نمی‌شود.

خیر، مزیت این روش در مقایسه با روش‌های مشابهی که برای سنجش و تعیین غلظت آلاینده‌های هوا از آن استفاده می‌شود تنها در بیشتر بودن سرعت این روش خلاصه نمی‌شود. در این روش از تجهیزات ساده‌تری استفاده می‌شود؛ چرا که ما طیف دیفرانسیلی را مورد مطالعه قرار می‌دهیم، بنابراین به کالیبره‌کردن چندان زیادی نیاز نداریم.

کالیبره‌کردن دستگاه به طور جزئی و هر بار تنها در آغاز اندازه‌گیری انجام می‌شود، به عبارتی این روش در طول اندازه‌گیری به کالیبره‌کردن نیازی ندارد. در بازه‌های زمانی کوتاه یک تا دو دقیقه می‌توان غلظت گازها را اندازه‌گیری کرد. علاوه بر این می‌توان همزمان همه گازهایی را که به این روش قابل شناسایی است، آشکارسازی کرد. مهم‌تر از همه این که این روش به نمونه‌گیری نیاز ندارد.

در روش‌هایی که اکنون برای سنجش آلاینده‌های هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد وقتی از هوا نمونه‌گیری می‌کنیم فقط یک نقطه که از آن نمونه‌گیری شده است مورد مطالعه قرار می‌گیرد، اما وقتی نور به محیط تابیده می‌شود کل مسافتی که نور مسیر رفت و برگشت را در آن طی می‌کند به طور خودکار مورد مطالعه قرار می‌گیرد و در نهایت میانگین غلظت گاز در این محیط ثبت می‌شود.

برای مثال در دستگاه‌هایی که در چهارراه‌ها و خیابان‌ها به عنوان نشانگر غلظت گازهای آلاینده ثبت شده است غلظت گازها بر اساس نمونه‌گیری محاسبه می‌شود، بنابراین تردد خودرو در اطراف این سیستم می‌تواند اطلاعات و داده‌های استخراج شده را تحت تاثیر قرار دهد، اما در این روش اگر منبع نور لامپ زنون باشد، مسافتی در فاصله حدود 500 تا یک کیلومتری از سیستم مورد بررسی و مطالعه قرار می‌گیرد.

البته اگر از لیزر به عنوان منبع نور استفاده شود این محدوده افزایش پیدا می‌کند. علاوه بر این، استفاده از این سیستم می‌تواند گزینه مناسبی برای سنجش آلاینده‌های هوا در مناطق صعب‌العبور باشد که نمونه‌گیری از این مناطق به آسانی امکان‌پذیر نیست.

تجزیه و تحلیل این اطلاعات و تبدیل آن به داده‌های آماری چگونه انجام می‌شود؟

در این روش به دو بخش سخت‌افزاری و نرم‌افزاری نیاز داریم. قسمت اصلی کار، طراحی بخش نرم‌افزاری سیستم است که برای محاسبه غلظت گازها از آن استفاده می‌شود. قسمت سخت‌افزاری سیستم متناسب با نیازمان طراحی و ساخته می‌شود.

در بخش سخت‌افزاری باید به نوع لامپی که به عنوان منبع نور از آن استفاده می‌شود و همچنین طیف‌سنجی که از آن استفاده می‌کنیم توجه داشته باشیم. برای گازهای آلاینده شهری با توجه به این که می‌خواهیم همزمان 30 نوع گاز آلاینده مختلف را ردیابی و غلظت آنها را محاسبه کنیم معمولا از لامپ زنون استفاده می‌کنیم، اما اگر بخواهیم در یک محیط صنعتی، گاز بخصوصی را شناسایی کرده و غلظت آن را محاسبه کنیم در این شرایط می‌توانیم از لیزر به عنوان منبع نور استفاده کنیم که هم می‌توان برای یک گاز مشخص از آن استفاده کرد و هم این که برد بیشتری دارد.

آیا استفاده از منابع نوری مختلف می‌تواند عملکرد سیستم را تحت تاثیر قرار دهد؟

همان‌ طور که گفته شد این روش مبتنی بر اثر انگشت گازهای آلاینده مختلف است. اگر بتوانیم لامپ مناسبی پیدا کنیم که با اثر انگشت این گازها متناسب باشد، می‌توانیم آن گاز را نیز براحتی شناسایی کنیم. بنابراین تعداد گازهایی که می‌توانیم به این روش شناسایی کنیم به نوع منبع نوری که استفاده می‌کنیم بستگی دارد.

خوشبختانه با توجه به انواع مختلف منابع نوری مانند دیود‌ها که به بازار عرضه شده است می‌توانیم امیدوار باشیم این روش بتواند انواع مختلفی از گازها را پوشش دهد. نکته مهم این است که این سیستم می‌تواند انواع مختلف آلاینده‌های صنعتی و شهری را تحت پوشش قرار دهد.

تا اجرایی‌شدن طرح و نصب آنها در محیط‌های آلوده چقدر فاصله دارید؟

یکی از مشکلات و محدودیت‌ها این است که فردی که می‌خواهد با این دستگاه کار کند باید از دانش فنی بالایی برخوردار باشد، اما ما همه تلاشمان را کرده‌ایم نرم‌افزارهایی طراحی کنیم که دیگر برای استفاده از سیستم به افراد متخصص نیاز نداشته باشیم و حتی اپراتور معمولی هم بتواند از عهده انجام این کار برآید.

از نظر سخت افزاری 80 درصد طرح انجام شده است تا نخستین نمونه برای سنجش آلاینده‌های شهری ساخته شود. اگر بخواهیم در زمینه صنعتی نیز از این دستگاه استفاده کنیم ابتدا باید سفارش بگیریم و در این شرایط می‌توانیم متناسب با نیاز منطقه صنعتی دستگاه مناسبی بسازیم، اما اساس عملکرد این سیستم نرم‌افزار آن است که طراحی شده و قابل استفاده است. سیستم سخت‌افزاری با توجه به منطقه مورد نظر طراحی و ساخته می‌شود و در این زمینه نیز مشکلی وجود ندارد.

فرانک فراهانی جم ‌/‌ گروه دانش