Система супутникового моніторингу хімічних складових атмосферного повітря над територією України

 

Супутникове зондування забруднюючих речовин є досить складним завданням порівняно з визначенням характеристик підстильної поверхні чи хмарним покривом. Якщо просторова роздільна здатність супутників, які зондують підстильну поверхню, досягає вже метрів і навіть десятків сантиметрів, то у випадку забруднюючих речовин у газоподібному стані йдеться поки що про кілометри. Ще десять років тому просторова роздільна здатність супутників для зондування газових компонент перевищувала 10 км. Наприклад, просторова роздільна здатність приладу Th e SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CartograpHY (SCIAMACHY)1 на борту супутника Envisat перевищує 30 км, a Th e Ozone Monitoring Instrument (OMI)2 на борту супутника Aura — 13 км. Революція у сфері зондування забруднюючих речовин сталася із запуском 13 жовтня 2017 року супутника Sentinel-5 Precursor (Sentinel-5P), оснащеного приладом TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI)3. Для газових компонент атмосферного повітря було досягнуто деталізації в 7,5х3,5 км, яку згодом було поліпшено до 5,5х3,5 км.

Уперше на основі супутникових даних вдалося поглянути на забруднення атмосферного повітря не лише в регіональному масштабі, а й у межах великих міст та промислових районів. З огляду на унікальну на сьогодні деталізацію супутника Sentinel-5P та актуальні напрями розвитку супутникового моніторингу забруднення атмосферного повітря, в цій роботі робимо акцент саме на цьому супутнику та результатах його зондувань. Серед хімічних складових атмосферного повітря зондування газових компонент є набагато складнішим порівняно з твердими частинками. Незважаючи на можливості деталізованого виявлення характеристик аерозолю в атмосфері, інформацію про хімізм процесів емісії неможливо отримати, маючи лише супутникові дані щодо твердих частинок в атмосфері. Зондування газових компонент дає набагато ширшу інформацію про реальні процеси, що призводять до емісії забруднюючих речовин та погіршення якості атмосферного повітря. Крім того, відмінності у фізичних і хімічних особливостях між твердими частинками та газовими складовими настільки велика, а процес обробки й аналізу даних настільки різний, що це зумовлює потребу обов’язкового розділення опису цих хімічних складових. Отже, ця частина присвячена аналізу саме газових компонент. Відмінність є також і серед газових складових. Той же супутник Sentinel-5P надає дані і щодо забруднюючих речовин (таких як, наприклад, діоксид азоту), і щодо парникових газів (зокрема, метан чи водяна пара), і щодо озону, більша частина якого в атмосферному стовпі зосереджена в стратосфері і формує озоновий шар. Хоча парникові гази багато в чому і є антропогенними забруднювачами, їх варто розглядати в рамках окремих досліджень передусім з точки зору впливу на клімат та перебіг атмосферних процесів. Нашою метою було встановлення закономірностей розподілу забруднюючих речовин. Зважаючи на те, що супутникові дані хімічних складових — це інтегрований за висотою показник, ми не будемо тут розглядати загальний вміст озону. Хоча О3 і є забруднювачем, у стовпі атмосфери частка приземного озону мізерна. Тому ця робота присвячена аналізу чотирьох основних забруднюючих речовин, які вимірюються супутником Sentinel-5P: діоксиду азоту (NO2), монооксиду вуглецю (CO), діоксиду сірки (SO2) і формальдегіду (CH2O). Запуск супутника Sentinel-5P з приладом TROPOMI на борту став логічним продовженням роботи попередніх супутникових місій із приладами SCIAMACHY та OMI з усебічного дослідження динаміки хімічних складових в атмосферному повітрі. Надходження даних від TROPOMI синхронізували з іншим приладом — Th e Global Ozone Monitoring Experiment 2 (GOME-2) на борту супутників серії Meteorological Operational satellite (MetOp). GOME-2 має нижчу просторову роздільну здатність, проте їх комбінація дозволяє створювати серію з двох вимірювань на день.

На початку 2020 року в Українському гідрометеорологічному інституті ДСНС України та НАН України було розроблено першу версію повністю автоматизованої системи оперативного моніторингу якості атмосферного повітря за даними супутникових спостережень Sentinel-5P. Розроблена система дозволяє отримувати дані про вміст забруднюючих речовин в атмосферному повітрі щодня, повністю охоплюючи територію України. Вже у квітні 2020 року система пройшла випробування під час лісових пожеж у Київській та Житомирській областях, надаючи дані щодо забруднення атмосферного повітря та поширення домішок від осередків пожеж [10, 53, 54]. З моменту створення система моніторингу постійно вдосконалюється, додаються інші хімічні складові, деталізується просторовий розподіл над окремими містами з просторовою роздільною здатністю 0,02х0,02, вдосконалюються алгоритми фільтрування та методи обробки даних. Використання супутникових даних дозволило виявляти осередки високих рівнів забруднення атмосферного повітря, зокрема й у віддалених районах. Щодня проводиться супутниковий моніторинг викидів від автотранспорту та роботи підприємств у містах, пожеж у природних екосистемах, наслідків надзвичайних ситуацій, транскордонного перенесення забруднення тощо. З початком повномасштабного вторгнення РФ на територію України у 2022 році супутникові дані забруднення атмосферного повітря відіграють важливу роль у виявленні високого вмісту забруднюючих речовин, спричиненого воєнними діями. Це дозволяє проводити аналіз якості атмосферного повітря в районах інтенсивних пожеж у природних екосистемах поблизу лінії зіткнення, фіксувати наслідки викидів забруднюючих речовин після ракетних ударів по нафтобазам та промисловим об’єктам тощо.

Щодня оперативні дані супутника Sentinel-5P завантажуються у автоматичному режимі, проходять фільтрування та видалення ненадійних та помилкових даних, обробляються, архівуються та візуалізуються у вигляді картосхем просторового розподілу забруднюючих речовин. Це дозволяє отримувати якісну картину стану забруднення атмосферного повітря над територією України з повним просторовим охопленням. На основі результатів моніторингу стає можливим ідентифікувати основні міста-забруднювачі конкретного дня, незалежно від наявності чи відсутності наземних вимірювань, що може свідчити про можливість потенційного перевищення допустимих рівнів забруднення атмосферного повітря. Отримана інформація дозволяє виявити випадки транскордонного перенесення забруднюючих речовин на висотах, проаналізувати поширення шлейфів забруднення від джерел викидів за переважаючим напрямком вітру, а також отримати інформацію про масштаби погіршення якості атмосферного повітря в результаті лісових пожеж.

AAI, SO2, HCHO - потребують правильної інтерпретації, а також часто містять певну кількість помилкових значень. Супутникова інформація про світлопоглинальний аерозольний індекс (AAI), діоксид сірки (SO2) та формальдегід (HCHO) вимагає фахової інтерпретації із залученням додаткових даних, тому для уникнення хибних висновків за запитом може бути надана консультація. Також варто розуміти, що у випадку NO2, а особливо CO, рекомендовані параметри чутливості до оброблення даних можуть відфільтровувати специфічні кейси високого забруднення. Їх виявлення може потребувати застосування таких налаштувань, що не працюють у випадку потокового щоденного аналізу для відображення загального фону. Такі випадки вимагають окремого запуску виключно для кейсу високого забруднення. У випадку побудови цих карт використовується рекомендований діапазон використання параметрів для фільтрування, вихід за його межі поза специфічними кейсами призведе до неадекватної візуалізації інших днів.