Τι είναι η ατμοσφαιρική ρύπανση

Ατμοσφαιρική ρύπανση είναι η ρύπανση της ατμόσφαιρας , δηλαδή η προσθήκη ουσιών ( ρύπων ) στην ατμόσφαιρα που υπό φυσιολογικές συνθήκες
δεν θα υπήρχαν . Στη σύγχρονη εποχή ,συχνά η ρύπανση είναι αποτέλεσμα της ανθρώπινης δραστηριότητας .

Κύριες πηγές εκπομπής ατμοσφαιρικών ρύπων

• Η ατμοσφαιρική ρύπανση δημιουργείται από
• Τα μεταφορικά μέσα (αυτοκίνητα, λεωφορεία, αεροπλάνα, μηχανάκια, φορτηγά)
• Τα νοικοκυριά
• Το ηλεκτρικό ρεύμα
• Την βιομηχανία
• Απορρυπαντικά, σπρέι
• Εργοστάσια καίγοντας λιγνίτη και ορυκτά παράγουν καυσαέρια ρυπαίνοντας έτσι την ατμόσφαιρα.
• κ.ά.

Βασικοί ατμοσφαιρικοί ρύποι

Υπάρχουν 6 κύριοι ατμοσφαιρικοί ρύποι:

• Οξείδια του αζώτου:με τον όρο οξείδια του αζώτου ορίζονται οι ενώσεις του αζώτου με το οξυγόνο σε διάφορες αναλογίες
• Μονοξείδιο του άνθρακα:το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα από τα οξείδια του άνθρακα και παράγεται από την μερική καύση του άνθρακα.
• Διοξείδιο του θείου:το διοξείδιο του θείου ανήκει στην οικογένεια των σουλφιδίων , αέρια των οποίο κύριο χαρακτηριστικό είναι ότι είναι διαλυτά στο νερό.
• Μόλυβδος:ο μόλυβδος είναι μέταλλο που συναντάται τόσο στο φυσικό περιβάλλον όσο και στα προϊόντα ή τα κατάλοιπα της βιομηχανικής παραγωγής.
• Αιωρούμενα σωματίδια: ο όρος σωματίδιο περιγράφει τα διάφορα σωματίδια που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα.
• Το όζον (χημικός τύπος: Ο3: Mε τον όρο όζον ορίζουμε το τριατομικό οξυγόνο , αέριο που κατά κύριο λόγο εκλύεται στην ατμόσφαιρα  ως παράγωγο χημικών αντιδράσεων μέσα στην ίδια την ατμόσφαιρα. Είναι ένα ανοιχτό μπλε αέριο με χαρακτηριστική πικάντικη οσμή. Είναι ένα αλλοτρόπιο οξυγόνο που είναι πολύ λιγότερο σταθερό από το διατομικό αλλοτρόπιο Ο2, διασπώντας στην χαμηλότερη ατμόσφαιρα σε 02 ή διοξείδιο. Το όζον σχηματίζεται από διοξείδιο με τη δράση υπεριώδους φωτός (UV) και ηλεκτρικών εκκενώσεων εντός της ατμόσφαιρας της Γης. Παρουσιάζεται σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις καθ ‘όλη τη διάρκεια της τελευταίας, με την υψηλότερη συγκέντρωση να είναι υψηλή στο στρώμα όζοντος της στρατόσφαιρας, η οποία απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της υπεριώδους (UV) ακτινοβολίας του Ήλιου.Η οσμή του όζοντος θυμίζει χλώριο και είναι ανιχνεύσιμη από πολλούς ανθρώπους σε συγκεντρώσεις μόλις 0,1 ppm στον αέρα. Η δομή του Ο3 του όζοντος προσδιορίστηκε το 1865. Το μόριο αργότερα αποδείχθηκε ότι έχει μια κυρτή δομή και είναι διαμαγνητική. Σε κανονικές συνθήκες, το όζον είναι ένα ανοιχτό μπλε αέριο που συμπυκνώνεται σε προοδευτικά κρυογονικές θερμοκρασίες σε ένα σκούρο μπλε υγρό και τελικά ένα ιώδες-μαύρο στερεό. Η αστάθεια του όζοντος σε σχέση με το πιο κοινό διοξυγόνο είναι τέτοια που το συμπυκνωμένο αέριο και το υγρό όζον μπορούν να αποσυντεθούν εκρηκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες ή με γρήγορη θέρμανση στο σημείο βρασμού. Συνεπώς χρησιμοποιείται εμπορικά μόνο σε χαμηλές συγκεντρώσεις.Το όζον είναι ένα ισχυρό οξειδωτικό (πολύ περισσότερο από το διοξείδιο) και έχει πολλές βιομηχανικές και καταναλωτικές εφαρμογές που σχετίζονται με την οξείδωση. Ωστόσο, το ίδιο υψηλό οξειδωτικό δυναμικό προκαλεί τη βλάβη του όζοντος στους βλεννογόνους και αναπνευστικούς ιστούς στα ζώα και επίσης στους ιστούς σε φυτά, πάνω από τις συγκεντρώσεις περίπου 100 ppb.

Κύριες επιπτώσεις των βασικών ατμοσφαιρικών ρύπων

Επιπτώσεις στην υγεία

Οι ατμοσφαιρικοί ρύποι προκαλούν πρόωρους θανάτους, λόγω λοιμώξεων του αναπνευστικού, ιδιαίτερα σε παιδιά.

• Τα οξείδια του αζώτου που μπορεί να προκαλέσουν καρκινογένεση μέσω των ελευθέρων ριζών, της δημιουργίας φλεγμονών και των βιολογικών μεταλλάξεων.
• Το διοξείδιο του θείου που μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στην καρδιά και στους πνεύμονες.
• Το μονοξείδιο του άνθρακα που μπορεί να έχει επιπτώσεις στο αίμα, στον εγκέφαλο και στην καρδιά.
  Επιπλέον, το πολύ μονοξείδιο του άνθρακα ζαλίζει, προκαλεί πονοκέφαλο και κούραση.
• Το όζον παρόλο που όταν δεν βρίσκεται στην τροπόσφαιρα (το στρώμα της ατμόσφαιρας στο οποίο ζούμε) μας προστατεύει, όταν βρίσκεται στην τροπόσφαιρα, μπορεί να προκαλέσει ερεθισμούς στο αναπνευστικό σύστημα,
  στα μάτια, στη μύτη, στον λαιμό και δυσλειτουργία στους πνεύμονες .
• Το βενζόλιο προκαλεί καρκίνο και βλάβες στο νευρικό σύστημα.

Επιπτώσεις στο περιβάλλον

• Το διοξείδιο του θείου προκαλεί μετά από μακροχρόνια έκθεση όξινη απόθεση, που είναι επικίνδυνο για οικοσυστήματα.
• Από ατμοσφαιρικούς ρύπους που εκλύονται από την ατελή καύση, προκαλείται το φαινόμενο του Θερμοκηπίου δηλαδή υπερθέρμανση της γης που έχει ως αποτέλεσμα να λιώνουν οι πάγοι και να κινδυνεύουν πολλά ζώα.
• Προκαλείται όξινη βροχή που προσβάλλει τα δάση και μετατρέπει  το μάρμαρο σε  γύψο.
• Η τρύπα του όζοντος προκαλείται από τη χρήση χλωροφθορανθράκων που υπάρχουν στα ψυκτικά και στα σπρέι.
• Τα οξείδια του αζώτου, προκαλούν το φωτοχημικό νέφος στις μεγαλουπόλεις

Ποιοί αισθητήρες θα χρησιμοποιηθούν;

 

BME 280

Γενικές πληροφορίες – Σύνδεση με το Arduino

Ο αισθητήρας BME280 κατασκευάζεται από τη BOSCH. Χρησιμοποιείται εύκολα διότι δεν χρειάζεται επιπλέον εξαρτήματα για να λειτουργήσει. Μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια

• υψόμετρο
• βαρομετρική πίεση ( πίεση της ατμόσφαιρας στη γη)
• υγρασία (0% εώς 100%)
  
• θερμοκρασία (από -400C έως 85οC)

Βασική προϋπόθεση για να μπορέσουμε να πάρουμε σωστές μετρήσεις είναι να ρυθμίσουμε την τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης στο επίπεδο της θάλασσας. Μια ιστοσελίδα για να δούμε αυτές τις τιμές είναι η https://www.meteo.gr/yetosmaps.cfm ή https://www.worldweatheronline.com/chania-weather/crete/gr.aspx
. Την τιμή αυτή την τοποθετούμε στο block initialize BME280.

Τρόπος σύνδεσης με το Arduino (εικόνα από το Fritzing)

Το πρόγραμμα στο mblock

Dust Sensor (GP2Y1010AU0F | GP2Y1014AU0F )
 

Το GP2Y1010AU0F της Sharp είναι ένας αισθητήρας οπτικής ποιότητας της ατμόσφαιρας,
σχεδιασμένος να ανιχνεύει σωματίδια σκόνης. Μια δίοδος εκπομπής υπέρυθρης ακτινοβολίας και φωτοτρανζίστορ τοποθετούνται διαγώνια σε αυτήν τη συσκευή, ώστε να επιτρέπει την ανίχνευση του ανακλώμενου φωτός της σκόνης στον αέρα. Είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό στην ανίχνευση πολύ λεπτών σωματιδίων όπως ο καπνός τσιγάρων και χρησιμοποιείται συνήθως στα συστήματα καθαρισμού του αέρα.

Ο αισθητήρας έχει πολύ χαμηλή κατανάλωση ρεύματος (μέγιστο 20mA, τυπικό 11mA) και μπορεί
να τροφοδοτηθεί με έως 7VDC. Η έξοδος του αισθητήρα είναι μια αναλογική τάση ανάλογη προς τη μετρούμενη πυκνότητα σκόνης, με ευαισθησία 0.5V / 0.1mg / m3.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ
Τύπος Αισθητήρα: Σκόνης
Τυπική Τάση Εισόδου: 7VDC
Ρεύμα Λειτουργίας: 20mA
Διασύνδεση: Αναλογική
Πρωτόκολλο επικοινωνίας: Χωρίς

 

Τρόπος σύνδεσης με το Arduino (εικόνα απο το Fritzing)

 

 

 

Το πρόγραμμα στο mblock

 

Adafruit CCS811 Air Quality Sensor

Αυτός ο αισθητήρας είναι ένας αισθητήρας αερίων που μπορεί να ανιχνεύσει ένα ευρύ φάσμα πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) και προορίζεται για την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα. Υπάρχει επίσης ένα θερμίστορ που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό
της τοπικής θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Το CCS811 διαθέτει έναν «τυπικό» αισθητήρα MOX θερμής πλάκας, καθώς και έναν μικρό μικροελεγκτή που ελέγχει την ισχύ στην πλάκα, διαβάζει την αναλογική τάση και παρέχει μια διασύνδεση I2C από την οποία διαβάζεται.Το μέρος
αυτό θα μετρήσει τη συγκέντρωση CO2) σε μια περιοχή από 400 έως 8192 μέρη ανά εκατομμύριο (ppm) και η συγκέντρωση TVOC (Total Volatile Organic Compound) εντός εύρους από 0 έως 1187 μέρη ανά δισεκατομμύριο (ppb). Επίσης, η AMS συνιστά να τρέχετε αυτόν τον αισθητήρα για 48
ώρες, όταν τον παραλάβετε για να το “στρώσετε”, και στη συνέχεια 20 λεπτά επιθυμητή λειτουργία κάθε φορά που χρησιμοποιείται ο αισθητήρας. Αυτό συμβαίνει επειδή τα επίπεδα ευαισθησίας του αισθητήρα θα αλλάξουν κατά την πρώιμη χρήση.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ
Τύπος Αισθητήρα: Αερίων
Τυπική Τάση Εισόδου:3.3VDC – 5VDC
Ρεύμα Λειτουργίας: 30mA
Διασύνδεση:Ψηφιακή
Πρωτόκολλο επικοινωνίας: I2C

Τρόπος σύνδεσης με το Arduino

 

Το πρόγραμμα στο mblock

MQ 131

Συμπαγής πλακέτα με βάση τον αισθητήρα MQ-131. Εξοπλισμένο με υψηλή ευαισθησία και πολύ γρήγορο χρόνο απόκρισης, αυτός ο αισθητήρας είναι σε θέση να ανιχνεύσει τη συγκέντρωση του όζοντος (10 ~ 1000ppb) στον αέρα του περιβάλλοντος. Το ευαίσθητο υλικό του αισθητήρα είναι το διοξείδιο του κασσίτερου (SnO2), το οποίο έχει χαμηλή αγωγιμότητα, όταν ο αέρας είναι καθαρός στο περιβάλλον, ενώ είναι υψηλότερος παρουσία όζοντος.

Η πλακέτα έχει ένα trimmer για να ρυθμίσετε την τιμή κατωφλίου, την αναλογική έξοδο και την ψηφιακή έξοδο (TTL), την κατάσταση LED για την παροχή ρεύματος και το σήμα εξόδου.

Η ψηφιακή έξοδος μπορεί να συνδεθεί απευθείας με μικροελεγκτή. Η αναλογική έξοδος παρέχει τάση (0-5 VDC) που αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης του όζοντος στον αέρα.

Τροφοδοσία: 5 VDC, διαστάσεις (mm): 31,85×19,65×33. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί με Arduino ή άλλο μικροελεγκτή.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

 

Τύπος αισθητήρα	αερίου
Ανιχνευμένο αέριο	O3
Εύρος μετρήσεων	10…1000ppm
Σειρά	MQ-131

 

Τρόπος σύνδεσης με το Arduino

 

Το πρόγραμμα στο mblock

Πώς θα αποθηκεύσουμε τα δεδομένα;

Τα δεδομένα θα τα αποθηκεύσουμε χρησιμοποιόντας ένα sd module σε κάθε arduino.Ο τρόπος σύνδεσης με το arduino παρουσιάζεται παρακάτω. Αφού συγκεντρώσουμε τα στοιχεία απο όλες τις κάρτες sd θα τα επεξεργαστούμε συγκεντρωτικά.

Τρόπος σύνδεσης με το Arduino (εικόνα απο το Fritzing)

 

Φωτογραφίες

 

Η διαδικασία κατασκευής και προγραμματισμού

Η τελική κατασκευή

 

 

Μετρήσεις και Αποτελέσματα

Οι μετρήσεις που θα καταγραφούν μέσα στις κάρτες sd θα αποθηκευτούν σε ένα αρχείο .csv έτσι ώστε να μπορούμε να τα κάνουμε εισαγωγή με εύκολο τρόπο στο πρόγραμμα calc του libre office και να δημιουργήσουμε γραφήματα των μετρήσεων.

Περιοχή μέτρησης	Ημ/νια-ώρα μέτρησης	Υψόμετρο	M.O. Θερμοκρασίας	Μ.Ο. Υγρασίας	Ατμ. πίεση Επ. θαλ.	Αρχεία ods	Γραφήματα
Περιοχή 1	30/7/2020 19:00 – 20:00	427,5 μ	34	25,3	1014	O3 DUST CO2-CO BME280
Περιοχή 2	07/08/2020 15:00 – 16:00	21 μ	30	50	1008,5
Περιοχή 3	30/7/2020 22:00 – 23:00	49,4 μ	26,4	38,3	1014		Πίνακες με τις κλίμακες των τιμών CO CO2
Περιοχή 4	5/8/2020 18:00 – 19:00	1 μ	30	60	1007,10		O3 Dust

Συμπεράσματα

Με βάση τους πίνακες με τα στοιχεία που βρήκαμε στα παρακάτω άρθρα

http://lap.physics.auth.gr/atmdiasp/simeiwseis/chapter2.pdf  και https://gr.euronews.com/2019/11/18/metrontas-tis-sigkentrosis-c02-stin-atmosfaira

για τις φυσιολογικές τιμές των ρύπων που εξετάσαμε παρατηρούμε ότι οι τιμές και στις 4 περιοχές που εξετάσαμε κυμαίνονται εντός φυσιολογικών ορίων με μικρές διακυμάνσεις.
Διαπιστώνουμε ότι οι τιμές του Όζοντος είναι αρκετά αυξημένες στην περιοχή 3 σε σχέση με τις άλλες τρεις περιοχές. Δεν γνωρίζουμε την αιτία. Ίσως ένας παράγοντας μπορεί να είναι ότι η περιοχή αυτή βρίσκετε πολύ κοντά στον κόλπο της Σούδας όπου γίνετε ελλιμενισμός πλοίων καθώς υπάρχουν και στρατιωτικές εγκαταστάσεις. Χωρίς όμως αυτό να γνωρίζουμε αν έχει κάποια σχέση. Επίσης προκύπτει το γεγονός οτι στην περιοχή 1 όπου το υψόμετρο ήταν κατά πολύ μεγαλύτερο σε σχέση με τις άλλες περιοχές, το CO και το CO2 είναι αυξημένα συγκριτικά. Αυτό ίσως προκύπτει λόγο της πτητικότητας των δύο αυτών μολυσματικών παραγόντων με αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη συγκέντρωση τους σε μεγαλύτερο υψόμετρο.
Θα πρέπει τέλος να τονίσουμε ότι όλο το πείραμα έγινε διαφορετικές μέρες, από ανθρώπους που δεν έχουν σχέσει με την επιστήμη της κλιματολογίας ή κάτι σχετικό, στα πλαίσια μιας σχολικής δραστηριότητας. Οπότε τα συμπεράσματα που αναφέραμε είναι εντελώς ερασιτεχνικά και για τις ανάγκες του πειράματος.

Ομάδα εργασίας