V prosinci minulého roku obhájil Vladislav SvozilíkVysoké školy báňské – Technické Univerzity Ostrava, který dlouhodobě působí v SÚJV, svou disertační práci na téma „Verifikace matematického modelování znečištění ovzduší“. Vedoucím jeho práce byl Petr Jančík z VŠB–TUO, který rovněž pracuje v Dubně a monitoringu i modelování znečištění ovzduší se věnuje dlouhodobě. Všichni společně jsme pohovořili o tom, kam se v poslední době posunul výzkumu v této oblasti a jaké jsou jeho perspektivy.

   

JM: Co je vlastně verifikace matematického modelování znečištění ovzduší?

PJ: Rozptyl znečišťujících látek v ovzduší, tedy vztah mezi zdroji znečišťování a mezi stavem ovzduší v určitém regionu, modelujeme již dlouho. S tím, jak postupně přichází výkonnější výpočetní technika a naučili jsme se algoritmy, které ji dokážou optimálně využívat, rozšiřujeme ty modely až na území odpovídající velikostí České republice. Po kalibraci na imisní monitorovací systém jsou ty modely přitom dosti přesné. Chtěli jsme je ale ověřit nějakou jinou metodou a rozhodli jsme se, že půjdeme cestou speciálních monitorovacích technik. Využili jsme proto bezpilotní letecký systém (UAS), konkrétně vzducholoď, která měla možnost sbírat znečištění na filtry a přitom ho měřit kontinuálně. Další použitá technika byl biomonitoring pomocí mechorostů.

 Bezpilotní letecký systém (UAS) jsme využili jako speciální monitorovacích techniku... Foto archiv VS. VS: Když bych to měl upřesnit – má disertační práce se zabývala verifikací Analytického Disperzního Modelovacího Superpočítačového Systému (ADMoSS) využívaného k modelování znečištění ovzduší. Model, který byl původně designovaný pro PC, byl implementovaný pro výpočetní clustery – superpočítače a je do značné míry zautomatizovaný. Celý systém stále zdokonalujeme a optimalizujeme. Momentálně jsme schopni velmi podrobně modelovat velká území a limitujícím faktorem je v tomto případě dostupnost kvalitních dat. Srdcem ADMoSS je gaussovský model SYMOS ‘97, vyvinutý v Českém hydrometeorologickém ústavu. Nikdy neznáme všechny emise ze všech možných zdrojů modelované oblasti a proto jsou výsledky modelu SYMOS ’97 zpravidla podhodnocené. Z toho důvodu musí být výsledky modelu kalibrované na výsledky měření imisního monitoringu. Problém tohoto přístupu spočívá v tom, že měření imisního monitoringu pak nelze jednoduše použít pro verifikaci výsledků matematického modelování, protože jsou součástí samotného procesu modelování. Mým úkolem tedy bylo prozkoumat možnosti verifikace výsledků ADMoSS pomocí alternativních monitorovacích metod. Oblastí zájmu mé práce bylo česko-polsko-slovenské pomezí, přičemž vyvinuté metody jsou aplikovatelné téměř kdekoliv na světě. 

 

JM: Jaké alternativní monitorovací techniky jste pro ověření systému ADMoSS využili?

VS:Verifikace byla provedena pomocí výsledků dvou speciálních monitorovacích metod. První z nich byla metoda měření znečištění ovzduší pomocí bezpilotní vzducholodi a druhá biomonitoring ovzduší pomocí mechorostů. Na základě provedených letových měření pomocí UAS (bezpilotní systém) se první metoda (měření pomocí bezpilotní vzducholodi) ukázala jako nevhodná, protože výsledky modelování zahrnují dlouhodobou situaci v rozsáhlém území, zatímco letová měření znečištění ovzduší nikoli. Ta jsou vhodnější ke zjištění vertikálního rozložení znečištění a pro zachycení dynamických jevů, jako je šíření jednotlivých kouřových vleček za specifických meteorologických podmínek, resuspenze prachu pomocí konvektivních proudů, a jiných jevů těžko postihnutelných pomocí matematického modelování. Naopak biomonitoring pomocí mechorostů odráží dlouhodobou situaci ve zkoumané oblasti. Pomocí biomonitoringu byly v některých místech nalezeny vyšší koncentrace prvků, které jsou asociované s metalurgickými technologiemi, těžbou a spalováním tuhých paliv a dobře korespondují s výsledky matematického modelování.

Čtyři členové komise se obhajoby zúčastnili přes telemost Ostrava-Dubna-Krakov... Foto archiv VS.
PJ: Především jsme se snažili ověřit, jak ty modely korespondují s tím, co se změří ve vertikálním profilu – s pomocí zmíněné vzducholodi a s dodatečným biomonitoringem. Nezajímaly nás ani tak nějaké absolutní hodnoty dlouhodobého znečištění ovzduší, ty se podobnými postupy zjistit nedají, ale hlavně rozložení znečištění – kde se znečištění vyskytuje více a kde méně a jaká je jeho příčina. A jestli to koresponduje s tím, co uvádí model. To rozložení a podíl jednotlivých skupin zdrojů se potvrdilo jako v podstatě správné.

 

JM: Můžete říci více o biomonitoringu pomocí mechorostů? Jakou roli ve vašem výzkumu sehrál SÚJV?

PJ: Vzorkování neboli sběr mechů byl prováděn ve spolupráci s kolegy z SÚJV Dubna podle metodiky projektu ICP Vegetation, do kterého jsme se také zapojili. Jedná se o projekt OSN, který zkoumá znečištění ovzduší zejména těžkými kovy v oblasti Evropy a dále na východ. V našem Ústavu se v tom aktivně angažuje doc. Marina Frontasjevová, která byla dlouho vedoucí Sektoru neutronové aktivační analýzy a aplikovaného výzkumu Laboratoře neutronové fyziky (FLNP). Ta metoda spočívá v tom, že se přesně definovaným způsobem sbírají mechy specifického druhu (aby mezi sebou byly výsledky srovnatelné v různých částech světa). A s pomocí neutronové aktivační analýzy se určuje, jaké jsou ve vzorcích těch mechů obsažené prvky. Zpravidla se tato metoda využívá pro velmi rozsáhlá území na úrovni států a kontinentů. My jsme provedli podrobnou studii v regionálním měřítku s ambicí identifikace konkrétních znečišťovatelů. To se do určité míry podařilo.

VS: Znečištění ovzduší je komplexní jev. Chtěl bych zdůraznit to, že do výzkumu bylo zapojeno několik špičkových pracovišť z Česka, Polska, Slovenska a Ruska. V rámci SÚJV jsem spolupracoval zejména s kolegy ze Sektoru neutronové aktivační analýzy a aplikovaného výzkumu z FLNP a v rámci Laboratoře informační techniky pak s týmem, který má na starosti provoz superpočítače, který používáme k modelování. Moje práce je multidisciplinární, předpokládá se tedy, že celý proces budu dobře znát, proto jsem se zapojil do všech činností včetně terénních i laboratorních. Těžiště mé práce však spočívalo v zpracování prostorových dat, které byly výsledkem neutronové aktivační analýzy. Z těchto dat bylo možné získat informace o prostorovém  rozložení jednotlivých prvků ve zkoumaném území. Tyto výsledky byly následně porovnány s výsledky matematického modelování pomocí prostorových analýz a statistických metod.

PJ: Je třeba si představit, že v regionu jsou řádově stovky míst a na každém z nich jsou s pomocí neutronové aktivační analýzy analyzovány mechy, které mohou obsahovat kolem čtyřiceti prvků. Tak vznikl „oblak dat“ – výsledků analýz stovek vzorků s kombinacemi prvků charakteristickými jak přítomností některých prvků, tak i jejich absencí, případně jejich různými koncentracemi ve vzorcích mechů. Data jsme museli statisticky a prostorově zpracovat. Z toho potom pro určitá území vyšly shluky, ze kterých bylo poznat, že tyto kombinace prvků pravděpodobně souvisejí s producenty některých znečišťujících látek – průmyslovými systémy, lokálními topeništi nebo dopravou. Data, která jsme takto získali, byla využita mimo jiné také v rámci mezinárodních projektů jako jsou AIR BORDER, AIR TRITIA či AIR PROGRES CZECHO-SLOVAKIA.

Další členové komise byli přítomní vzdáleně – z Ruska či Polska. A fungovalo to! Foto archiv PJ.

JM: Jaké využití může mít toto modelování do budoucna?

PJ: Nyní slouží verifikované modely k tomu, aby se kdokoli mohl podívat na příčiny a možný výhled znečištění v regionu Tritia (příhraničí mezi Českem, Polskem a Slovenskem). Vytvořili jsme na jejich základě v rámci mezinárodního projektu Interreg Central Europe AIR TRITIA "Systém řízení kvality ovzduší". 

Rádi bychom se dále podívali na to, jak byly prostorově rozloženy průběhy nemoci COVID-19 (průběh choroby a smrtnost) a jak to případně souvisí se znečištěním ovzduší. My jsme ve všech našich projektech obvykle spolupracovali s hygieniky a epidemiology, kteří hodnotili výskyt a průběh respiračních chorob v závislosti na znečištěném ovzduší. Ta závislost se vždy potvrzovala. Nejčastější respirační choroby, na kterých jsme si to ověřovali, byly chřipky, které mají také své těžké průběhy a smrtnost. Ale naráželi jsme na to, že data o nemocnosti a průběhu nebyla vždy k dispozici v dostatečně detailní podobě. Nyní bude k dispozici velké množství podrobných dat z pandemie této choroby. A existuje hypotéza o souvislosti výskytu těžšího průběhu nemoci v závislosti na znečištěném ovzduší. Je ovšem třeba vzít v úvahu, že se v důsledku pandemie také snížil podíl ekonomiky a dopravy na znečišťování ovzduší, což musíme ověřit na datech, a na to se geoinformační technologie a modely, které využíváme, výborně hodí. Když se dají dohromady tyto modely s modely rozložení těžkých průběhů COVIDu-19, a odfiltrují se z toho jiné vlivy, například specifická dynamika průběhu nákazy na určitém území, zůstane nám závislost těžšího průběhu nemoci na znečištění ovzduší. Práce na tom bude matematicky a informaticky velmi zajímavá.

VS: Pokud eliminujeme znečištění ovzduší, přestaneme se setkávat i s jeho negativními důsledky. Pozornost bych tedy věnoval zejména zdokonalování monitoringu a modelování. Standardní modelování je ve spoustě aplikací zbytečně datově a výpočetně náročný postup, snažíme se rozvíjet metody, kde se dají stejné výsledky získat pomocí senzorových sítí, pokročilých metod datové analýzy a neuronových sítí. Tímto bych ale nechtěl standardní modelování zatracovat. Současné výkonné počítače jako Govorun (LIT SÚJV) umožňují mnohem přesnější a podrobnější výpočty, než tomu bylo dříve. I v tomto směru očekáváme, že se budou používat výpočetně náročnější a přesnější postupy a stejně tak se bude zvyšovat detailnost výpočtů.

 

JM: Jak může takový výzkum v budoucnosti ovlivnit naše chování?

PJ: V oblasti Trojmezí, kterou zkoumáme, umírá v důsledku znečištění ovzduší ročně přibližně 2000 lidí navíc. Na koronavirus zemřelo ve stejné oblasti minulý rok přibližně o desítku tisíc lidí navíc. To je sice hodně, ale není to řádově více než úmrtnost v důsledku znečištění, která se opakuje každý rok po desítky let. A lidé to vědí, ale přitom proti znečištění nebojují s takovým nasazením, s jakým bojovali a bojují proti COVIDU-19. Spojení těchto informací by mohlo být důležité, aby si lidé uvědomili, jak nebezpečné pro nás znečištěné ovzduší může být. Všechny modely, které vytváříme v rámci projektu AIR TRITIA jsou zaměřené do budoucna. A tak s pomocí modelů můžeme předpovědět, co se stane se zdravím lidí, když se hypoteticky sníží nebo zvýší emise ze zdrojů znečištění. A s pomocí metod, které Vladislav rozvinul ve své disertaci, můžeme tyto výpočty udržovat a verifikovat. Navržená opatření máme naplánovaná až do roku 2040 a můžeme sledovat, jak se to bude potkávat s tím, co se děje ve skutečnosti.

 

JM: Obhajoba disertační práce proběhla distančně. Jaká to pro vás byla zkušenost?

VS: Obhajoba probíhala na půdě VŠB – TUO. Jelikož jsem měl tři zahraniční oponenty, kteří se kvůli komplikované epidemiologické situaci nemohli dostavit, čtyři členové komise se obhajoby zúčastnili přes telemost Ostrava-Dubna-Krakov.

PJ: Pro mě byla obhajoba v online režimu velmi zajímavá. Část lidí včetně Vladislava Svozilíka byla přítomná v místnosti na VŠB, ale oponenti a další členové komise byli přítomní vzdáleně – z Ruska či Polska. A fungovalo to! Atmosféra byla příjemná.