С чего все началось

В век информационных технологий и повсеместного развития горизонтальных связей такая важная ниша не могла пустовать долго. Заполнять ее начал проект OK Lab Stuttgart. Именно в Штутгарте, крупном промышленном центре, в 2015 году появилась первая общественная сеть мониторинга качества воздуха, состоящая из сравнительно простых устройств на основе платформы Arduino.

Эта платформа имеет открытую архитектуру, под нее немецкие программисты написали микропрограмму и разработали недорогие станции мониторинга, которые можно собрать самим из недорогих же комплектующих, которые проще всего закупать в Китае на AliExpress. Был создан сайт luftdaten.info (сейчас сайт поддерживает 9 языков, включая русский), на котором описана суть проекта, есть пошаговая инструкция по самостоятельной сборке устройств.

Наконец, на сайте есть подробная масштабируемая карта мира с указанием всех датчиков, данные с которых поступают на сервер, чтобы быть отраженными на этой карте. Неудивительно, что из всех европейских стран наиболее плотное покрытие датчиками – именно в Германии.

В качестве картографической основы используются карты международного общественного проекта OpenStreetMap, наполняемые по принципу wiki. К слову, проект OK Lab Stuttgart является частью другого проекта – Code for Germany и развивается под эгидой фонда Open Knowledge Foundation Germany, входящего во всемирную некоммерческую сеть организаций, продвигающих и распространяющих информацию на безвозмездной основе.

Что измеряем

Вообще говоря, в атмосферном воздухе могут содержаться самые разные загрязнители, как твердые частицы, так и примеси различных газов вроде диоксида серы, метана, сероводорода, аммиака, оксида и диоксида азота, приземного озона и др. Но датчики, реагирующие на газовые примеси, стоят дорого, поэтому для сети общественного мониторинга основатели проекта выбрали параметр, характеризующий концентрацию в воздухе мелкодисперсных пылевых частиц – PM 2,5.

Это довольно универсальный параметр, принятый во всем мире. Концентрация мелкодисперсных частиц (PM – Particulate Matter, твердые частицы) измеряется в микрограммах на кубический метр (мкг/м³), а число 2,5 обозначает предельный размер частиц (в микронах), измеряемых датчиком, – то есть учитываются частицы размером до 2,5 микрон (10-6 м). Датчик очень маленький и представляет собой смонтированный на печатной плате блочок с вентилятором, засасывающим воздух, и миниатюрным лазером.

Принцип действия упрощенно можно изложить так: лазерный луч рассеивается на частичках пыли, и по степени рассеивания процессор вычисляет концентрацию пылевых частиц. На выходе получается поток данных, поступающих на сервер через встроенный модуль Wi-Fi.

На какой из серверов передавать свои данные, решает сам владелец датчика, это легко настраивается. Датчик включается примерно каждые две с половиной минуты. В потоке данных есть еще один параметр – PM10 (частицы размером от 2,5 до 10 микрон), который является не измеряемым, а расчетным, поэтому правильнее анализировать именно параметр PM2,5. Предельно допустимые концентрации частиц РМ2,5 приведены в таблице.

Челябинск, дыши

Первыми немецким опытом воспользовались на Урале – в Челябинске. В этом крупном промышленном городе воздух никогда не отличался чистотой, но несколько лет назад ситуация заметно изменилась – в худшую сторону. Резко увеличилось производство металла, но это не сопровождалось ни модернизацией производства, ни установкой современных фильтрующих систем. Воздух стал грязнее, дышать стало труднее.

Организатор экологической группы «Челябинск, дыши» Дмитрий Закарлюкин после одной из конференций, на которой ни один эксперт не смог назвать источники вредных выбросов в городе, решил создать независимую общественную систему мониторинга качества воздуха. За основу были взяты немецкие станции, которые, в расширенной версии, могли комплектоваться датчиком летучих органических соединений (фенол, формальдегид, бензопирен и др.).

«У меня трое детей, и я не мог себе позволить дать им дышать этим воздухом. Никто не мог сказать – каков источник вредных выбросов: заводы, автотранспорт или мелкие предприятия. Объективной картины не было ни у одного эксперта. Я стал разбираться и создавать независимую общественную систему мониторинга качества воздуха, которая опирается на сеть простых и максимально дешевых датчиков, показывающих концентрацию вредных веществ. Когда таких датчиков становится много, можно математическими методами определять источник выбросов, причем в режиме реального времени, что было важно для нас, потому что большинство выбросов происходит в обход контроля – ночью и по выходным дням, когда не работают надзорные органы. И сейчас абсолютно любой человек может поставить себе такое устройство и внести вклад в формирование общей карты. Система работает не только для Челябинска, она транслируема на любой город», – рассказывал Дмитрий Закарлюкин в одном из интервью.

Челябинцы разработали и поддерживают на своем сервере российскую карту (Air Civic Monitoring System), которой пользуются жители всех регионов, где развивается общественный мониторинг.

Активисты пошли по пути продажи готовых устройств «под ключ» – они сами закупали комплектующие, собирали готовые станции наблюдения и продавали их желающим. К маю 2018 года в городе было установлено пять таких станций. Так благодаря Дмитрию Закарлюкину о возможности общественного мониторинга состояния воздуха узнали за пределами Челябинска – и некоторое количество собранных челябинцами устройств купили энтузиасты из других российских городов, продолжив развивать инициативу в своих регионах.

Москва, присоединяйся!

В столице общественный мониторинг развивался на иных принципах, чем в Челябинске.

«Челябинцы, честь им и хвала, ездили с этим по всей стране и везде предлагали свои устройства. Но они предлагают их покупать готовыми: подключайтесь к нам, и мы вам все расскажем, то есть они предлагают некоторую услугу. А мы предложили всем участвовать в нашем проекте на равных условиях: мы поможем собрать датчик, ставьте его, подключайте к общим сетям, вы наши партнеры, а не клиенты, – рассказывает муниципальный депутат Академического района Москвы Василий Хорошилов, инженер-физик по образованию. – После того как мы купили у челябинцев первые 10 датчиков, разобрали их и увидели, что внутри все точь-в-точь как у немцев и немного доработанная программа, следующий прибор я собрал самостоятельно, руководствуясь немецким сайтом».

Вместе с коллегой, также муниципальным депутатом, Дмитрием Петровым, математиком по образованию, и еще несколькими энтузиастами, IT-специалистами, Василий Хорошилов начал развивать проект breathe.moscow. Москвичи решили сформировать сообщество заинтересованных людей, которые не забудут о своем устройстве, поиграв несколько дней на новом гаджете, а станут осознанной частью общей сети.

Упор сделали на проведение мастер-классов, где под руководством опытных наставников (тех же Василия Хорошилова и Дмитрия Петрова) любой желающий своими руками соберет датчик (как собрать датчик самостоятельно, вы можете посмотреть в  следующей статье – «Сеть энтузиастов» в этом номере журнала).

Сейчас можно выбрать один или оба сервера (немецкий и челябинский), куда будут поступать данные с установленного датчика. Многие регистрируют свои датчики на обоих серверах, потому что у них разные интерфейсы, по-разному отображаются данные, но свои преимущества есть у каждого. Стоит отметить, что все программное обеспечение, написанное в Германии, является открытым, это open-source с публичной лицензией.

Красноярск.Небо и СО РАН

В Красноярске сеть общественного мониторинга в 2017 году запустил и начал развивать Игорь Шпехт, дизайнер по профессии, создавший проект «Красноярск.Небо». Эта сеть аналогична той, что была создана в Челябинске, Москве и других городах: датчики измеряют концентрацию РМ2,5. Первые датчики были недешевыми – коммерческой компании AirVisual, потом стали приобретать более простые и недорогие.

Красноярск входит в число российских городов с наиболее неблагоприятной экологической обстановкой – здесь, как и в Челябинске, множество крупных промышленных предприятий. В Красноярске Росгидромет счел, что общественники «вторглись на их территорию» и даже пытались судиться с Игорем Шпехтом из-за отсутствия лицензии Росгидромета на сбор данных о загрязнении воздуха.

Главная претензия, которую высказали в прокуратуре Красноярского края, заключалась в том, что общественные данные значительно расходятся с официальными данными, предоставляемыми Минприроды. Суд не принял иск к рассмотрению, на что повлияло и заключение Минприроды, о котором полезно знать участникам всех общественных сетей наблюдения: «Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды не относится к деятельности в области гидрометеорологии и смежных с ней областях и в этой связи лицензированию не подлежит».

На карту красноярцев выводятся не значения концентраций PM2,5, а расчетный параметр – AQI (Air Quality Index, индекс качества воздуха), учитывающий не только мелкодисперсные частицы, но и другие загрязнители, такие как CO, SO₂, NO₂, приземный озон O3. Данные мониторинга по другим загрязнителям поступают от партнеров проекта. На шкале AQI значения колеблются от 0 до 500 (0 – чистый воздух, 500 – максимальное загрязнение). Приемлемыми считаются значения от 0 до 50, небезопасными – свыше 100, а опасными для здоровья – свыше 300.

На карте красноярцев представлены данные не только по их городу, но и по другим сибирским городам – Новокузнецку, Томску, Новосибирску. Есть на ней и города Европейской части России, в частности Нижний Новгород, Москва. Активно развивается сообщество nebo.community в соцсети Instagram, есть удобное мобильное приложение Krasnoyarsk.nebo для iOS и Android.

Красноярск не только промышленный центр Восточной Сибири, но и крупный научный центр. И ученым тоже не все равно, чем они дышат. В 2020 году сотрудники Красноярского научного центра Сибирского отделения РАН запустили свою неофициальную сеть наблюдения за мелкодисперсными частицами PM2,5 и PM10. Они установили в городе 20 датчиков, данные с которых поступают на собственную карту.

Ученые также не получали лицензии Росгидромета, поэтому сочли необходимым уточнить на своем сайте: «Сведения и данные, полученные посредством системы, могут быть использованы исключительно для информационных и личных (некоммерческих) целей». Это означает, что использовать такие данные в суде будет невозможно. Это, впрочем, касается всех данных, полученных сообществами общественных наблюдений.

Карта загрязнений воздуха на сайте проекта «Красноярск.Небо» Credit: ru.nebo.live

Энтузиасты во Владимире

Не везде удается объединить вокруг идеи общественного мониторинга большие сообщества, как в Москве или Красноярске, где счет идет на десятки датчиков. Но и в небольших городах России находятся отдельные энтузиасты, озабоченные состоянием воздуха. Узнав об общественном мониторинге, они самостоятельно собирают и устанавливают у себя датчики.

Так, во Владимире идеей мониторинга проникся инженер Виктор Волчек, собравший первый датчик РМ2,5 и почти год назад подробно рассказавший о своем опыте в местном сетевом издании «Призыв». В начале марта 2020 года он организовал первый мастер-класс по самостоятельной сборке и подключению датчиков, в результате сейчас во Владимире установлено и передают данные в общую сеть уже четыре датчика.

Петербург в сети гражданских исследований

В Петербурге и Ленинградской области сейчас примерно полтора десятка станций наблюдения, продвижением которых с декабря 2019 года занялся Центр экспертиз ЭКОМ. В Петербург тогда приехали москвичи Василий Хорошилов и Дмитрий Петров и провели мастер-класс по сборке датчиков.

Помимо развития сети независимых датчиков руководитель ЭКОМа Александр Карпов вместе с коллегами занимается городским проектом «ProВоздух», цель которого – научиться анализировать имеющиеся многолетние данные станций государственного мониторинга и понять, как правильно выстраивать в городе «сеть гражданских исследований» – именно такой термин Александр Карпов предпочитает слову «мониторинг».

По его мнению, о сети как значимой системе информирования можно будет говорить, когда в ней будет примерно 1500 датчиков, а задача сегодняшнего дня – научиться обрабатывать полученные данные. Поупражняться сейчас можно с многолетними длинными рядами наблюдений, к которым есть доступ. Количество станций государственного мониторинга не так велико – в Петербурге это всего 25 станций наблюдения (одна станция на 65 км²). Но и на основании этих данных уже получены интересные результаты.

«Первое, что мы увидели, – это влияние западного ветра с Финского залива как системного фактора, все районы, прилегающие к заливу, системно чище, чем далеко отстоящие от залива восточные районы города. Также мы заметили, что в этой сети есть дырки и некоторые территории пропущены», – отмечает Александр Карпов. Он считает, что, обучившись на имеющихся данных, можно будет построить эффективную сеть наблюдений. Этим должна заниматься гражданская наука. «Людей чаще интересуют не глобальные вопросы, а условия их повседневной жизни в масштабах улицы или двора. И предметом изучения гражданской науки должны стать условия жизни отдельного дома, квартала, улицы», – поясняет эксперт.

Кроме того, руководитель ЭКОМа полагает, что государственная система мониторинга не способна поймать нарушителя, не только из-за недостаточной густоты сети, но и из-за отсутствия соответствующих методов.

Система наблюдений как нейросеть

Когда у Александра Карпова появился собственный массив данных, за которыми можно наблюдать, то, по его словам, сразу повысилось понимание задач и потребностей.

«Ответ на вопрос о необходимой плотности сети наблюдений зависит от стоящих задач, от того, какого рода сигналы мы хотим распознавать. Скажем, для поимки курящего на балконе надо расположить 10 датчиков на фасаде дома, а для выявления факта нелегального сжигания отходов в каком-либо котловане нам понадобится 20 датчиков на квадратный километр вокруг этого котлована. А в городском лесу долгое время может вообще ничего не происходить, и там будет достаточно одного датчика на пять квадратных километров для получения фоновых значений. То есть важна разрешающая способность сетки – какого рода события надо ловить и ее неравномерность, – рассказывает Александр Карпов.

«Эта сеть должна быть самоорганизующейся и свернутой к источникам загрязнения. В каком-то смысле ее развитие и разворачивание должно напоминать иммунный ответ организма на вторжение. И в этом ее отличие от стабильной государственной сети наблюдений, десятилетиями собирающей одни и те же данные для того, чтобы проследить длиннопериодную динамику. Есть вещи, которые очевидны только специалистам. Система наблюдений – это система сенсоров, но для распознавания какого-либо объекта входящие сигналы должны быть обработаны нейросетью так же, как это делает наш глаз. То есть нам нужна нейронная сеть, обрабатывающая все поступающие сигналы, чтобы выявить объект, вызывающий загрязнение. Этого сейчас нет, в том числе и в гражданской науке, но у нее есть шансы сделать это быстрее, чем это сделает государственная сеть, прежде всего потому, что гражданская наука имеет возможность экспериментировать», – считает эксперт.

И даже полтора десятка независимых датчиков дают не соответствующую ожиданиям картину, разрушая некоторые устоявшиеся мифы.

«Из десятка прицельно поставленных для поимки загрязнения датчиков его зафиксировал только один. Люди ожидали, что показания будут плохими, исходя из географического положения дома – к примеру, близко перекресток, и не брали в расчет то, что он хорошо продувается. Было много опасений по центру города, но они часто не оправдывались. Сюрпризы были в пригородах, где мы ожидали, что там все будет чисто. Например, очень хорошо видно, как показания датчиков ползут вверх по выходным дням в садоводствах: это дачники жгут на своих участках мусор. То есть как только у нас появляются реальные данные, мы видим картину локальных загрязнений совершенно не такую, какую ожидали увидеть исходя из наших прежних бытовых представлений. Это очень важно, потому что появляется основа для того, чтобы люди могли скорректировать свое поведение», – поясняет Александр Карпов.

Подтолкнуть общество

Что касается упомянутой Александром Карповым гражданской науки, то физик Хорошилов опасается, что одной только гражданской наукой здесь не обойтись: данных собрано много, но нет людей, которые могли бы обработать и проанализировать эти данные, сделать из них какие-то выводы.

«Одна только гражданская наука может не решить всего спектра стоящих задач. Но уже есть встречное движение со стороны отдельных вузов, которые хотят объединить усилия академической и гражданской науки в изучении полученных данных. Если мы будем подталкивать развитие науки снизу, то и сверху будет происходить встречное движение. Мы сейчас формируем общественный запрос, и если общество в этом заинтересовано, то этим займется и наука», – считает Василий Хорошилов. Это подтверждает и упомянутый выше факт установки датчиков сотрудниками Красноярского научного центра СО РАН.

Из симбиоза гражданской и академической науки должно появиться новое знание, а за этим, кто знает, последует и новое, более ответственное поведение.

Статья подготовлена специально для 77 номера издаваемого «Беллоной» журнала «Экология и право»