Matematyka ostrzega przed smogiem

• Przez trzy lata naukowczynie badały powietrze, którym oddychamy we Wrocławiu 
• Zastosowanie dwóch różnych technik matematycznych pozwoliło na bardziej precyzyjne obliczenia poziomu tlenków azotu
• Wyniki badania mogą być wykorzystywane w krótko- i długoterminowych prognozach zanieczyszczeń powietrza
• Prof. Kamińska prowadzi badania m.in. w ramach Wiodącego Zespołu Badawczego Woda-Klimat-Środowisko (WCE)
• Jakość powietrza we Wrocławiu i w Polsce stopniowo poprawia się

– Smog w dużych miastach to dotkliwy problem dla ich mieszkańców. Pracuję we Wrocławiu, więc sama doświadczam związanych z tym codziennych uciążliwości, nie mówiąc o długofalowych skutkach zdrowotnych – mówi prof. Joanna Kamińska z Katedry Zastosowań Matematyki. Wspólnie z dr Joanną Kajewską-Szkudlarek z Instytutu Inżynierii Środowiska opublikowały artykuł „Znaczenie podziału danych w modelowaniu stężenia tlenków azotu” w „Science of the Total Environment”, wysoko punktowanym czasopiśmie poświęconym naukom o środowisku. – Ta publikacja wynika z połączenia naszych wspólnych zainteresowań – mówią autorki. – Pokazujemy, jak trafniej przewidywać przekroczenie dopuszczalnych norm zanieczyszczeń powietrza. Dzięki temu można zbudować efektywniejsze systemy wczesnego ostrzegania. Nie zatrzymamy wzrostu urbanizacji ani rozwoju transportu, ale możemy lepiej identyfikować zanieczyszczenia i odpowiednio na nie reagować. 

Na dwa sposoby: drzewo decyzyjne i analiza klastrowa

Inteligentne modele matematyczne są uniwersalne, można je zastosować w wielu dziedzinach – na przykład do badania stężeń zanieczyszczeń powietrza w oparciu o czynniki środowiskowe. 

Autorki postanowiły wykorzystać je do sprawdzenia poziomu tlenków i dwutlenku azotu w powietrzu, którym oddychamy we Wrocławiu. – Pyły zawieszone, które są częścią miejskiego smogu, są łatwo widoczne i wyczuwalne. Łatwo się je także mierzy, ponieważ ich cząstki osiadają na filtrach i metodą optyczną lub grawimetryczną można zmierzyć ich ilość. W przeciwieństwie do pyłów, tlenków azotu nie widać i nie czuć. Są bezwonne, ale bardzo szkodliwe i trudniejsze w pomiarach. Mierzy się je na podstawie zjawiska chemiluminescencji, czyli emisji energii w postaci światła w wyniku reakcji chemicznej. Potrzebne są do tego komory reakcyjne oraz detektory emisji promieniowania, co jest skomplikowane i kosztowne – mówią naukowczynie.  

Przez siedem lat, od 2015 do 2021 roku gromadziły dane z trzech źródeł. Przede wszystkim poziom dwutlenku azotu i tlenków azotu udostępniany przez Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w ramach krajowego systemu monitoringu jakości powietrza w Polsce. Czujnik zbierał dane co godzinę, przez całą dobę na skrzyżowaniu ulic Powstańców Śląskich, Wiśniowej i Hallera. We Wrocławiu jest pięć stacji pomiaru jakości powietrza kontrolowanych przez WIOŚ, ale stężenie tlenków azotu jest mierzone tylko w trzech z nich. Z tego samego skrzyżowania zbierano również, za pośrednictwem Zarządu Dróg i Utrzymania Miasta, dane dotyczące natężenia ruchu.

Pod uwagę brano także dane meteorologiczne z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej: kierunek i prędkość wiatru, temperaturę i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne i usłonecznienie. Zebrano w sumie około 60 tys. godzin, które były podstawą do wydzielenia dwiema różnymi technikami grup, w których następnie przeprowadzono modelowanie stężenia zanieczyszczeń. 

W analizie klastrowej (CA) algorytm podzielił zebrane informacje na osiem grup, zależnie od różnych warunków pogodowych. Jeden zbiór to wyżowe warunki letnie: wysoka temperatura powietrza i niska wilgotność. Inny dotyczy pogody wiosenno-jesiennej, gdy temperatura jest niska, a wilgotność wysoka. Kolejna grupa uwzględniała pory nocne o najniższym natężeniu ruchu. Następna – poranne godziny szczytu, przy rosnącym ruchu i stężeniu gazów.  Jeszcze inna – szczyt popołudniowy, z malejącym natężeniem.

– Istnieje duża zmienność dobowa, poziom zanieczyszczeń jest różny o różnych godzinach. Dużą rolę odgrywa także pogoda, bo wiatr i deszcz oczyszczają powietrze – mówią autorki. 

Druga technika, tzw. drzewo decyzyjne (C&RT) pozwoliła na pogrupowanie danych według najważniejszych czynników. Okazało się, że największy wpływ na bieżące stężenie tlenków azotu ma stężenie sprzed godziny. W związku z tym podział na grupy nastąpił ze względu na stężenie tlenków azotu w ośmiu przedziałach, od najmniejszego do największego.

Tlenki i auta w sztucznej sieci neuronowej

Zastosowanie metody hybrydowej łączącej różne techniki matematyczne sprawiło, że model był bardziej precyzyjny. Do prognozowania stężenia zanieczyszczeń w 16. grupach danych wydzielonych tymi dwiema technikami wykorzystano metody uczenia maszynowego. Pozwalają one znajdować powiązania pomiędzy danymi, w przypadku których nie istnieją zależności liniowe. 

– Ich istota polega na tym, że na podstawie danych wejściowych odtwarzają najczęściej pojawiające się wzorce. Posiadają zdolność „uczenia się” na wprowadzanych danych oraz umiejętność uogólniania zjawisk i znajdowania powiązań między nimi – mówi dr Joanna Kajewska-Szkudlarek, z wykształcenia geograf (specjalność meteorologia i klimatologia). Doktorat  na UPWr dotyczył pomiarów meteorologicznych; tą tematyką zajmowała się przez kilka lat. Poszerzyła zainteresowania badawcze o wykorzystanie meteorologii do modelowania innych zjawisk, m.in. głębokości zalegania wód podziemnych, zapotrzebowania na ciepło i wodę, temperatury w budynkach mieszkalnych, zanieczyszczeń powietrza. 

– W poszukiwaniu skutecznych metod modelowania rozpoczęłam przygodę z inteligentnymi modelami matematycznymi, które coraz bardziej rewolucjonizują różne dziedziny nauki i techniki. W aktualnym badaniu wśród zastosowanych modeli był las losowy (RF) oraz maszyna wektorów nośnych (SVR) i sztuczne sieci neuronowe (SNN). Podobnie jak neurony biologiczne, ich sztuczne odpowiedniki są zorganizowane w sieć składającą się z warstw – wyjaśnia dr Kajewska-Szkudlarek.

Wejściowa warstwa pobiera parametry wejściowe: dane meteorologiczne, natężenie ruchu, wcześniejsze stężenia zanieczyszczeń.

Warstwa ukryta odpowiada za wykonywanie obliczeń z zastosowaniem matematycznych algorytmów. Warstwa wyjściowa zwraca wynik modelowania, czyli aktualne stężenie tlenków azotu w powietrzu obliczone na podstawie danych wejściowych. Wynik był porównywany z rzeczywistym stężeniem zanieczyszczeń w powietrzu pozyskanym z WIOŚ. 

– Zaletą takiego podejścia jest to, że nie musimy znać a priori zależności, które między tymi elementami występują. Otrzymując wynik na podstawie swojej wiedzy o modelowanym zjawisku musimy ten wynik opisać – mówią autorki. 

Lepiej najpierw liczyć, potem działać

Badanie dostarcza praktycznych narzędzi do prognozowania stężeń zanieczyszczeń powietrza; pomaga w ustaleniu krótko-, średnio- i długoterminowych prognoz. Pokazuje, że można prognozować stężenie tlenków azotu na różne sposoby. Prof. Kamińska: – O wyborze określonej metody powinny decydować cele, do których ma być wykorzystywana prognoza.

Metoda z zastosowaniem drzewa decyzyjnego okazała się bardziej przydatna do ustalania prognoz krótkoterminowych – pokazuje, co wydarzy się w najbliższych godzinach. Przydaje się więc do dostarczania bieżących informacji, na przykład do wykorzystania w publicznym systemie ostrzegania opartym na prognozie pogody.

 – Dzięki tej metodzie można przewidzieć i zasugerować z dobowym wyprzedzeniem, czy osoby starsze lub chore nie powinny ograniczyć przebywania na zewnątrz. Albo czy następnego dnia jechać do pracy rowerem, czy lepiej dla własnego zdrowia jednak skorzystać z tramwaju – mówią autorki.

Natomiast analiza klastrowa sprawdza się bardziej, jeśli chcemy wyciągać ogólniejsze wnioski. Na przykład, jak na stężenie zanieczyszczeń wpłynie redukcja natężenia ruchu (ocena skuteczności ograniczenia ruchu pojazdów samochodowych w mieście). Albo w jakim stopniu na stężenia zanieczyszczeń w powietrzu wpływa zabudowa zasłaniająca kanały przewietrzania miasta. To technika przydatna do tworzenia scenariuszy rozwoju miasta, ważna dla urbanistów i miejskich decydentów.  

– Nasze badania mogą pomóc urzędnikom w kształtowaniu bardziej zrównoważonej przestrzeni. Taniej jest najpierw przewidzieć przyszłość poprzez modele matematyczne niż od razu wprowadzać zmiany urbanistyczne. W Norwegii dokładnie się prognozuje, dopiero potem podejmuje decyzje. U nas bywa odwrotnie – uważają autorki.

Podpowiadają, że zielonych rozwiązań ograniczających szkodliwy wpływ smogu jest wiele. – Można wyłączyć fragment miasta z ruchu, przebudować skrzyżowanie, wprowadzić opłaty za wjazd do poszczególnych stref miasta, ograniczyć wjazd samochodów niespełniających określone kryteria – wylicza prof. Kamińska.  

Jej studenci ze specjalności analityka społeczno-gospodarcza na kierunku gospodarka przestrzenna mieli za zadanie opracować sposób zmniejszenia zanieczyszczenia powietrza we Wrocławiu. Dwie grupy podeszły do tematu całkowicie odmiennie. Jedna zaproponowała zamknięcie centrum miasta dla ruchu samochodowego i ograniczenie ruchu w kolejnych pierścieniach wokół centrum. Druga wolała posadzenie większej liczby drzew, które absorbują zanieczyszczenia komunikacyjne. 

– Ograniczenia w dostępie do danych rzeczywistych sprawiły, że wnioski są szacunkowe. Jednak w obu przypadkach redukcja stężenia zanieczyszczeń sięgała 30 procent. To pokazuje, że można szukać różnych rozwiązań, a matematyka podpowiada, które będą optymalne. Dzięki modelom matematycznym można na przykład oszacować, co zmieni się, jeśli natężenie ruchu zmniejszymy o 10 czy 20 procent. Czy warto wprowadzić takie ograniczenie, czy gra jest warta świeczki, czy raczej szukać innego sposobu na poprawę stanu środowiska – wyjaśnia matematyczka. 

Miasto z perspektywy rowerzystki

Publikacja w „Science of the Total Environment” jest kontynuacją badań nad stanem środowiska, które prof. Joanna Kamińska prowadzi od ośmiu lat.

– Moja droga naukowa była nietypowa, jeden z recenzentów habilitacji był przekonany, że jest błąd w życiorysie – śmieje się. Zaczynała od magisterium z matematyki, potem był licencjat z matematyki finansowej i doktorat z bilansu cieplnego pszenicy jarej. Pracę adiunkta na UPWr połączyła ze studiami inżynierskimi na Politechnice Wrocławskiej (mechanika i budowa maszyn). – Lubię uczyć się nowych rzeczy, zbierać różne doświadczenia – dodaje. Kilka lat temu interesowała się sportami motorowymi, była m.in. instruktorem doskonalenia nauki jazdy i pilotem w zawodach samochodowych. – Akurat wtedy na uczelni powstał kierunek inżynieria bezpieczeństwa. Spodobało mi się. Na stażu w Norwegii zaczęłam analizować bezpieczeństwo ruchu drogowego. Stąd był już tylko krok do inżynierii środowiska – opowiada autorka habilitacji „Modelowanie jakości powietrza z uwzględnieniem czynników otoczenia”. Przyznaje, że zmieniła punkt widzenia na ochronę środowiska. 

– Odkąd zajęłam się tym tematem naukowo, otworzyły mi się oczy. Przyrost wiedzy i rozpoznanie mechanizmów rządzących środowiskiem sprawiły, że zdaję sobie sprawę z działań swoich oraz innych ludzi. Nie jest to przyjemne uczucie, ponieważ swoje zachowanie mogę zmienić, a innych tylko próbować. Stale ponawiam pytanie wobec samej siebie: Co jeszcze mogę zrobić lepiej dla planety? I w tych codziennych drobnych działaniach, i w badaniach. Mam świadomość, jak jest źle, przyszłość nie maluje się na różowo. Nie odwrócimy tego, co zepsuliśmy, ale możemy przynajmniej ograniczyć nasz szkodliwy wpływ. Warto do tego wykorzystać matematykę, która pozwala przewidywać, budować scenariusze – mówi wykładowczyni. 

Zmieniając podejście do ekologii, zamieniła jednocześnie zainteresowanie samochodami na fascynację kolarstwem górskim. – Cała moja rodzina: mąż, dzieci, brat, mama, jej partner startujemy w Bike Maratonie. Na pierwszych zawodach miałam średnią prędkość 8,7 kilometra na godzinę, bo przez większość trasy prowadziłam rower i nie rozumiałam, jaką przyjemność można mieć w przedzieraniu się z rowerem przez górskie ścieżki. Dziś jestem wierna rowerowi, w miarę możliwości trenuję i dojeżdżam nim na uczelnię – mówi Joanna Kamińska. 

Podczas wspólnej przejażdżki rowerowej z prof. Janem Kazakiem z Instytutu Gospodarki Przestrzennej, również zamiłowanym cyklistą, wpadli na pomysł, żeby połączyć pracę z pasją. Postanowili zbadać poziom sadzy atmosferycznej w różnych częściach miasta. Do projektu dołączył Tomasz Turek, doktorant ze Szkoły Doktorskiej UPWr. Cała trójka przez dwa miesiące jeździła rowerami w godzinach szczytu, wożąc ze sobą czujniki do pomiaru zanieczyszczenia powietrza sadzą. Poruszali się po trzech różnych trasach, po terenach zielonych i przy ruchliwych drogach oraz trzech parkach: Zachodnim, Szczytnickim i Południowym. Okazało się, że na wyniki wpływa nie tylko nasilenie ruchu drogowego, ale także m.in. nasadzenia zieleni, gęstość zabudowy, wysokość budynków, ich ustawienie wobec najczęściej wiejących we Wrocławiu wiatrów zachodnich. W miejscach słabiej wentylowanych poziom sadzy był nawet 10 razy większy niż na innych badanych odcinkach.

– Nasze ustalenia mogą być pomocne w tworzeniu map „zdrowszych tras” dla rowerzystów i pieszych – dodaje prof. Kamińska, która prowadziła rowerowe badania w ramach Wiodącego Zespołu Badawczego Woda-Klimat-Środowisko (WCE). Kilkunastu naukowców Uniwersytetu Przyrodniczego prowadzi w WCE projekty dotyczące m.in. dendroklimatologii, innowacyjnych metod poprawy jakości wody, właściwości retencyjnych zielonych dachów, zastosowania zrównoważonych systemów drenażu, gospodarowania wodą w glebie, oczyszczania ścieków na obszarach cennych krajobrazowo.

Z większą wiedzą i świadomością 

Prof. Kamińska planuje rozszerzenie swoich najnowszych badań o inne obszary Wrocławia.

– Chciałabym jak najwięcej mojej wiedzy i energii poświęcić sprawom środowiska, bo to naglący problem. Według Światowej Organizacji Zdrowia tylko 10 procent ludności oddycha czystym powietrzem. Większość z nas żyje w miejscach, gdzie stężenie zanieczyszczeń powietrza jest zbyt wysokie. WHO szacuje, że ze względu na wywołane złym powietrzem dysfunkcje układu oddechowego i sercowo-naczyniowego rocznie umierają trzy miliony osób. Warto jednak zachować równowagę w medialnym zgiełku. Jestem sceptyczna wobec rankingów zanieczyszczeń miast, bo często brakuje w nich informacji o kryteriach doboru tych miejscowości – uważa naukowczyni. Podkreśla, że mimo medialnych doniesień o alarmującym stanie powietrza we Wrocławiu, liczby pokazują, że jego jakość poprawia się. Nieznacznie, jeszcze nie w takim stopniu, na jakim nam zależy, ale jednak. 

– Przez siedem lat badań obserwowałyśmy tendencję spadkową tlenków azotu, tylko w 2021 roku zmierzyłyśmy średnie wartości wyższe niż w roku poprzednim. Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska opublikował w 2022 roku raport, że po raz pierwszy we Wrocławiu roczne stężeniu dwutlenku azotu nie przekroczyło dopuszczalnego poziomu 40 µg/m3. Przed laty było gorzej, tylko mniej mówiliśmy na ten temat. Smog towarzyszy nam od dawna, ale teraz mamy większą świadomość, bo prowadzi się więcej badań i bardziej popularyzuje temat – mówi profesor. 

Przyznaje, że w Polsce jest coraz lepiej z jakością powietrza, tylko rozkłada się to różnie w różnych miejscowościach. We Wrocławiu ubiegły rok był rekordowy, jeśli chodzi o liczbę zlikwidowanych w mieście „kopciuchów”, które odpowiadają przede wszystkim za pyły zawieszone: wymieniono aż cztery tysiące pieców. MPK planuje uruchomienie autobusów wodorowych i budowę pierwszej stacji tankowania wodoru produkowanego ze słońca, wiatru i biomasy.  

– Niewątpliwie liczba zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery zmniejsza się, m.in. dzięki zamknięciu niektórych uciążliwych zakładów. We Wrocławiu 70 procent tlenków azotu pochodzi z samochodów, a jeździmy autami coraz lepszymi pod względem ekologicznym – Joanna Kamińska. – Patrzmy więc z rozwagą na medialne alarmy i róbmy, co w naszej mocy. W myśl zasady „myśl globalnie, działaj lokalnie”. W moim domu segregujemy śmieci, mamy ogrzewanie gazowe zamiast węglowego, uczymy dzieci dbałości o otoczenie. Nawet najmniejsze działania mają sens, sumują się w duże efekty.

Aneta Augustyn

• 

  Race to Zero na UPWr: zrównoważony transport

  Zrównoważony transport, a więc jaki? Na pewno zgodny z zasadami zrównoważonego rozwoju, tylko co to znaczy? Według jednej z popularniejszych definicji to taka organizacja i sposoby, które minimalizują szkodliwy wpływ, jaki środki transportu wywierają na środowisko – zarówno naturalne, jak i aglomeracji miejskich. UPWr kampanię na rzecz zrównoważonego transportu zaczyna od wewnętrznej ankiety.

• 

  Arborysta Maciej Motas: – Betonoza? Ten trend jest już za nami

  O istotności kontaktu z naturą, wpływie klimatu na kierunek rozwoju zawodu arborysty i o tym jakich cech wymaga ta praca opowiada inżynier architektury krajobrazu Maciej Motas, arborysta i absolwent Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.