آلودگی هوا چگونه با ماهواره‌ها اندازه‌گیری می‌شود؟

نوآوری‌ها در فناوری پایش، سنجش از راه دور و مدل‌سازی می‌توانند داده‌های آلودگی هوا را سریع‌تر و با هزینه کمتری نسبت به تکیه بر رویکردهای پایش مرسوم ارائه دهند.

ماهواره‌هایی که به دور زمین می‌چرخند، بیش از دو دهه است که داده‌های کیفیت هوای جهانی را ثبت می‌کنند و به منبع حیاتی روندهای جهانی کیفیت هوا تبدیل شده‌اند. ماهواره‌ها ستون جوی را که با استفاده از مدل‌های ریاضی به تخمین‌های سطحی تبدیل می‌شود، می‌بینند. این تخمین‌های ماهواره‌ای می‌توانند شکاف‌های داده‌ای را برای مناطقی با نظارت زمینی کم یا بدون نظارت پر کنند.

سامانه یکپارچه نظارت بر کیفیت هوا برای کشورهای کم درآمد و متوسط ​​با ظرفیت نظارت محدود، راه حل کافی برای مدیریت کیفیت هوا نیست. در عوض، یک رویکرد ترکیبی که راه حل‌های مرسوم را با رویکردهای نوآورانه در مقیاس‌های مختلف ترکیب می‌کند مقرون به صرفه‌تر است.

بسته به ظرفیت پایش موجود، می‌توان از داده‌های ماهواره‌ای برای پاسخ به سوالات مختلف کیفیت هوا استفاده کرد. برای مناطقی که پایش زمینی ندارند، داده‌های ماهواره‌ای می‌توانند به شناسایی مناطقی که احتمالا غلظت آلاینده‌ها بسیار بالاتر از سطح سالم است کمک کند. در کشورهایی که ظرفیت پایش زمینی کافی دارند، داده‌های ماهواره‌ای می‌توانند بخشی از چارچوب یکپارچه مدیریت کیفیت هوا برای اطلاع از روندهای مکانی-زمانی بلندمدت باشند.

بیماری‌های مرتبط با آلودگی هوا در شهرها

بسیاری از شهرها فاقد داده‌های پایش زمینی لازم برای ردیابی آلاینده‌های هوایی هستند که بر سلامت عمومی تاثیر می‌گذارند. برای پر کردن این شکاف‌های مهم در داده‌های مربوط به میزان تماس با آلاینده‌ها در طول زمان و مکان، از تخمین‌های ماهواره‌ای استفاده می‌شود.

میانگین سالانه غلظت آلاینده‌ها در سراسر جهان با قدرت تفکیک مکانی ۱ کیلومتر در ۱ کیلومتر محاسبه شده و به جمعیت آن مناطق مرتبط می‌شود تا مشخص شود چه تعداد افراد در معرض این آلاینده‌ها قرار دارند. سپس این داده‌ها به نرخ بیماری‌های موجود در شهرها و کشورها متصل می‌شود تا میزان تاثیر آلودگی هوا بر بیماری‌ها تخمین زده شود. آخرین تخمین‌ها شامل بررسی اثرات جهانی آلودگی هوا از ذرات معلق (PM2.5) و دی‌اکسید نیتروژن (NO2) است.

ماهواره‌ها و حسگرها

ماهواره‌ها پلتفرم‌هایی هستند که ابزارها یا حسگرها روی آن‌ها قرار می‌گیرند. هر حسگر می‌تواند اطلاعاتی را در پارامترهای گوناگون ثبت کند.

به عنوان مثال، حسگر مدیس (MODIS سرواژه MODerate resolution Imaging Spectro-radiometer) روی هر دو ماهواره آکوا (Aqua) و ترا (Terra) قرار دارد و منبع مهمی برای تخمین PM2.5 جهانی است.

همچنین تروپومی (TROPOMI سرواژه Tropospheric Monitoring Instrument)، بر روی ماهواره سنتینل ۵ – پریکرسر (Sentinel 5 – Precursor) قرار دارد و گازهایی مانند ازن، NO2، گوگرد دی‌اکسید (SO2)، کربن مونوکسید (CO) و ذرات معلق در هوا مانند گرد و غبار، دود و کربن سیاه را اندازه‌گیری می‌کند. PM2.5 و NO2 پرمصرف‌ترین محصولات داده ماهواره‌ای برای کاربردهای کیفیت هوا و سلامت هستند.

ماهواره‌ها چگونه آلاینده‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند؟

هر یک از اجزای اتمسفر زمین شامل ذرات، ریزگردها و گازها دارای علامت طیفی خاص خود، یعنی مقدار تابش الکترومغناطیسی که می توانند جذب، پراکنده و منعکس کنند هستند. حسگرهایی مانند MODIS و TROPOMI برای گرفتن این اطلاعات طراحی شده‌اند که سپس با استفاده از مدل‌های ریاضی و الگوریتم‌های کامپیوتری به ویژگی‌های ژئوفیزیکی تبدیل می‌شوند.

ماهواره‌ها در مقابل پایشگرهای زمینی

یک تمایز مهم بین داده‌های ماهواره‌ها و پایشگرهای زمینی، کمیت اندازه‌گیری آن‌هاست. در حالی که پایشگرهای زمینی غلظت سطح را اندازه‌گیری می‌کنند، ماهواره‌ها اطلاعات را در یک ستون جوی عمودی می‌گیرند.

سپس این اندازه‌گیری‌های ستونی با استفاده از مدل‌های آماری یا مدل‌های حمل‌ونقل هواشناسی-شیمیایی به تخمین‌های سطح تبدیل می‌شوند تا تخمین‌هایی از کیفیت هوا ارائه دهند. داده‌های ماهواره‌ای خام پیش از انتشار عمومی برای کاربردهای عملی، چندین مرحله پردازش و اعتبارسنجی را طی می‌کنند. اندازه‌گیری‌های زمینی برای بهبود تخمین‌های مبتنی بر ماهواره استفاده می‌شود.

داده‌های شبکه‌ای که گاهی به عنوان داده‌های سطح ۳ در قالب تخمین‌های روزانه و میانگین‌های ماهانه شناخته می‌شوند، بیشتر برای مطالعات کلان مورد استفاده قرار می‌گیرند. داده‌های بومی غیر شبکه‌ای یا سطح ۲ برای کاربران پیشرفته مناسب‌تر است و ظرف یک یا دو روز پس از اندازه‌گیری در دسترس است.

ذرات معلق

ماهواره‌ها PM2.5 را مستقیما اندازه‌گیری نمی‌کنند. بلکه عمق نوری ریزگرد (AOD سرواژه Aerosol Optical Depth) را اندازه‌گیری می‌کنند که می‌تواند شاخصی برای PM2.5 در نظر گرفته شود. AOD یک کمیت بدون واحد است که نشان‌دهنده مقدار ذرات معلق در یک ستون از جو است. داده‌های ماهواره‌ای AOD به طور گسترده برای تعیین غلظت PM2.5 استفاده می شود.

اندازه‌گیری دی‌اکسید نیتروژن

ماهواره‌ها اکنون می‌توانند الگوهای فضایی NO2 را با قدرت تفکیک مکانی بالا، کافی برای تخمین غلظت در شهرهای بزرگ و از منابعی مانند نیروگاه‌ها و صنایع، ثبت کنند. روندهای بلندمدت با استفاده از اندازه‌گیری‌های OMI و TROPOMI از ستون‌های NO2 در دسترس هستند.

قدرت تفکیک مکانی و زمانی

بسته به فناوری ماهواره و الگوریتم‌های بازیابی، قدرت تفکیک فضایی می‌تواند در محدوده‌ای از ۱ تا ۱۰۰ کیلومتر تغییر کند. برای مثال، داده‌های سطح ۲ از محصول MODIS AOD در سه وضوح مکانی ۱، ۳ و ۱۰ کیلومتر ارائه می‌شوند، در حالی که داده‌های سطح ۳ شبکه‌بندی‌شده، با قدرت تفکیک ۱۱۰ کیلومتر در دسترس هستند. محصول ۱ کیلومتری، دقت فضایی بالاتری دارد، اما نویز ابزار بیشتری را نشان می‌دهد، در حالی که محصول ۱۰ کیلومتری، نویز کمتری دارد اما وضوح فضایی کمتری ارائه می‌دهد.

قدرت تفکیک زمانی داده‌ها تا حد زیادی به مداری که ماهواره‌ها دنبال می‌کنند بستگی دارد. دو نوع اصلی مدار وجود دارد:

1. نوع اول مدارهای خورشیدآهنگ قطبی هستند که به ماهواره امکان می‌دهند هر روز یک یا دو بار در همان زمان، یک نقطه مشخص از زمین را مشاهده کنند. برای مثال، حسگرهای MODIS روی ماهواره‌های Aqua و Terra به ترتیب در صبح و بعدازظهر داده‌برداری می‌کنند.
2. نوع دوم ماهواره‌ها، ماهواره‌های زمین‌ثابت هستند که نسبت به زمین در یک موقعیت ثابت باقی می‌مانند و می‌توانند داده‌های یک منطقه خاص را با قدرت تفکیک زمانی بالاتر مشاهده کنند.

سایر اندازه‌گیری‌ها

علاوه بر ذرات معلق و گازها، تصاویر رنگی واقعی و اندازه‌گیری‌های دمایی ماهواره‌ها می‌توانند به شناسایی رویدادهای شدید آلودگی مانند سوزاندن مزارع و آتش‌سوزی‌های جنگلی کمک کنند. زیرا قادر هستند دود و ناهنجاری‌های دمایی را تشخیص دهند.

داده‌های ماهواره‌ای برای مطالعات حوزه سلامت

ماموریت آتی مایا (MAIA سرواژه Multi-Angle Imager for Aerosols) اولین ماموریت ناسا است که به طور خاص برای تجزیه و تحلیل سلامت عمومی طراحی شده است. حسگرهای MAIA برای تمایز بین انواع مختلف ذرات طراحی شده‌اند و داده‌های روزانه را بر روی مجموعه‌ای از مناطق هدف اولیه از جمله شهرهای بزرگ جهان جمع‌آوری می‌کنند. این داده‌ها برای حمایت از مطالعات سلامت آینده در مورد سمیت نسبی اجزای مختلف ذرات معلق استفاده خواهد شد.

منابع آموزشی در دسترس عموم

ARSET ناسا

برنامه ارست (ARSET) ناسا وبینارهای رایگان و آموزش حضوری در مورد استفاده از داده‌های ماهواره‌ای ناسا ارائه می‌دهد. اطلاعات مربوط به آموزش‌های آینده و همچنین فایل‌ها و مطالب از وبینارهای گذشته را می‌توان در وب سایت مربوطه یافت.

HAQAST ناسا

HAQAST ناسا در حال کار بر روی کاربردهای عملی داده‌های سنجش از دور توسط متخصصان کیفیت هوا و سلامت است. آن‌ها منابع مختلفی را برای دسترسی و تجزیه و تحلیل داده‌های ماهواره‌ای به همراه آموزش‌های مفید جمع‌آوری کرده‌اند.

منابع داده در دسترس عموم

• گیوانی (Giovanni) ناسا به کاربران این امکان را می‌دهد که به صورت تعاملی داده‌های ماهواره‌ای را به صورت آنلاین تجزیه و تحلیل کنند. کاربران می‌توانند جغرافیا، ماهواره‌ها و پارامترهای مورد نظر خود را انتخاب کنند و نقشه‌ها و نمودارها را در قالب‌های مختلف ایجاد کنند.
• مسیریاب داده ناسا برای کمک به کاربران در فرآیند انتخاب و استفاده از مجموعه داده‌های قابل استفاده در سلامت و کیفیت هوا، با راهنمایی در مورد قدرت تفکیک و پیوندهای مستقیم به منابع داده طراحی شده است.
• Google Earth Engine به‌صورت رایگان برای استفاده تحقیقاتی و آکادمیک در دسترس است و داده‌هایی از ماهواره‌های لندست (Sentinel، (Landsat و حسگر MODIS دارد. با استفاده از داده‌های API موجود می‌توان بدون نیاز به دانلود داده‌ها در رایانه محلی، در فضای ابری تجزیه و تحلیل انجام داد.
• وب سایت Urban AQ داده‌های ماهواره‌ای را با تخمین‌های سطحی و مدل‌های ریاضی ترکیب می‌کند تا تخمین‌هایی از PM2.5، NO2 و غلظت ازن را برای بیش از ۱۳ هزار منطقه شهری در سراسر جهان ارائه دهد. کاربران می‌توانند داده‌ها را بر اساس آلاینده، سال، کشور و شهر تصویرسازی و دانلود کنند.
• منابع داده ملی/منطقه‌ای: برای مجموعه داده‌های منطقه‌ای یا ملی که ممکن است در صورت درخواست در دسترس باشد، با آژانس‌های محلی ارتباط برقرار کنید.