Таблица 1. Характеристики сенсора TROPOMI
| Канал № | Спектр | Спектральный диапазон, нм | Пространственное разрешение, км |
|
1 |
UV1 | 270–300 | 21х28 |
| 2 | UV2 | 300–320 | 7х7 |
| 3 | UVIS | 310–405 | 7х7 |
| 4 | VIS | 405–500 | 7х7 |
| 5 | NIR1 | 675–725 | 7х7 |
| 6 | NIR2 | 725–775 | 7х1,8 |
| 7 | SWIR | 2305–2385 | 7х7 |
Данные Sentinel-5P доступны в двух уровнях обработки: Level 1B и Level 2. Level 1B представляет собой значения спектральной яркости по восьми каналам отдельно, по двум в каждом из диапазонов UV, VIS, NIR и SWIR. Отдельно поставляются агрегированные данные по диапазонам UV-VIS-NIR (UVN) и SWIR. Данные Level 2 показывают содержание основных загрязнителей и парниковых газов:
- Общее содержание О3 в атмосфере (L2__O3).
- Содержание О3 в тропосфере (L2__O3_TCL).
- Содержание NО2 в тропосфере и общее (L2__NO2).
- Общее содержание SО2 (L2__SO2).
- Общее содержание CO (L2__CO).
- Общее содержание CH4 (L2__CH4).
- Общее содержание HCHO (L2__HCHO).
- Индекс аэрозольного загрязнения (L2__AER_AI).
Поскольку пространственное разрешение данных Sentinel-5P невысокое, то исследования загрязнения атмосферы можно проводить, начиная с регионального масштаба. Однако наиболее оптимальными являются исследования в масштабе страны, континента или глобальные.
По данным Sentinel-5P можно картографировать загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота (NО2), который также является и индикатором содержания и монооксида азота (NO). Диоксид азота получается при окислении монооксида азота, который в свою очередь образуется из атмосферного азота и кислорода при высоких температурах, соответственно поступление этого соединения в атмосферу связано со сжиганием ископаемого топлива. В природе это соединение образуется в основном во время грозовых разрядов или при разложении биомассы. Однако величины образования природного диоксида азота невелики, что позволяет легко картографировать антропогенное загрязнение NО2.
Основные антропогенные источники загрязнения атмосферного воздуха:
- Автотранспорт.
- Тепловые электростанции (ТЭЦ).
- Металлургические предприятия.
- Химические предприятия.
На распространение загрязнения влияют атмосферные условия, такие, как давление воздуха, скорость и направление ветра, вертикальное распределение температуры и т. д.
Загрязнение диоксидом азота
Из-за контрастности естественных и антропогенных источников загрязнения диоксид азота является самым удобным атмосферным загрязнителем для картографирования из космоса. На рисунке 1 показано загрязнение тропосферы Центрального федерального округа диоксидом азота за 6 июня 2019 года. Пространственное разрешение изображения примерно 5 км.
Выбросы промышленных предприятий
Московская агломерация очень сильно выделяется по загрязнению тропосферы диоксидом азота из-за огромной плотности автомобильного транспорта и обилия промышленных предприятий. Содержание диоксида азота в Московском регионе в 10–40 раз выше фоновых значений. Диоксидом азота загрязнена тропосфера над крупными ГРЭС: Конаковской, Костромской и Каширской. Сильно превышена концентрация NО2 над Липецком и Рязанью, где расположены Новолипецкий металлургический комбинат и Рязанский нефтеперерабатывающий завод соответственно. На общем фоне определяются и крупные цементные заводы, где оксиды азота образуются при обжиге и спекании компонентов смеси.
Целесообразно проводить ежедневный мониторинг концентрации диоксида азота, поскольку из-за атмосферных условий содержание этого соединения может резко колебаться. Выполнение осреднения по времени (неделя, месяц, сезон и т. д.) поможет избежать влияния облачности, которая снижает точность измерения концентрации загрязнителя в тропосфере или делает её невозможной.
Загрязнение монооксидом углерода
Основные антропогенные источники монооксида углерода в атмосфере ― это автотранспорт, металлургические предприятия, ТЭЦ, химические производства. В естественных условиях соединение монооксида углерода образуется при разложении биоты в результате жизнедеятельности организмов, при извержениях вулканов. Огромное количество CO попадает в атмосферу во время природных пожаров. В общем случае монооксид углерода образуется при неполном сгорании органического топлива. На рисунке 3 заметен огромный рост концентрации монооксида углерода на юго-востоке Австралии, вызванный лесными пожарами в конце 2019-го–начале 2020 года. В некоторых местах концентрация CO превысила фоновую в 30–50 раз. Пропущенные пиксели означают низкое качество данных.
Загрязнение диоксидом серы
Диоксид серы является одним из основных и опасных загрязнителей атмосферы. Соединение SО2 попадает в атмосферу как естественным образом, так и в результате деятельности человека. К природным источникам поступления диоксида серы, прежде всего, относятся извержения вулканов. На рисунке 4 показано содержание диоксида серы в воздухе в окрестностях извергающегося вулкана Килауэа, расположенного на Гавайских островах. Заметен крупный шлейф повышенного содержания SО2, распространяющийся в западном направлении от вулкана. Содержание загрязняющего газа в результате извержения вулкана в несколько десятков раз превышает фоновое.
Главные антропогенные источники поступления диоксида серы в атмосферу: металлургические предприятия, ТЭЦ на угле, химические предприятия и др. На рисунке 5 показано содержание диоксида серы в атмосфере в окрестностях города Норильска, где расположен Норильский горно-металлургический комбинат, который ежегодно выбрасывает в атмосферу более 1,5 млн тонн загрязнителя. Содержание SО2 в атмосфере из-за деятельности комбината превышает фоновое значение в 40–70 раз.
По данным Sentinel-5P можно выполнять мониторинг выбросов промышленных предприятий в динамике, сравнивать полученные данные с официальной статистикой.
Диоксид серы «живёт» в атмосфере сравнительно недолго, несколько дней. При взаимодействии с водой и кислородом из SО2 образуется серная кислота, которая, выпадая на землю в виде кислотных дождей, наносит существенный экологический ущерб окружающей среде.
Загрязнение метаном
Метан является третьим (после водяного пара и углекислого газа) по степени воздействия на тепловой баланс атмосферы парниковым газом. Измеряется содержание метана обычно в частях на миллион или миллиард (ppm и ppb соответственно). По данным Sentinel-5P можно исследовать содержание метана в ppb сухого воздуха. Однако облачность очень сильно влияет на определение концентрации этого газа, поэтому оно возможно только в абсолютно безоблачную погоду.
Основные естественные источники поступления метана в атмосферу: болота, термитники, другие водные угодья, где происходит анаэробное разложение органики, деятельность метаногенных бактерий, газогидраты и др. Среди антропогенных источников образования метана выделяются рисовые поля, животноводство, утечки природного газа при добыче и транспортировке, полигоны ТБО, предприятия химической промышленности и т. д.
На рисунке 6 показано превышение концентрации метана в воздухе на юго-западе Туркмении в районе распространения грязевых вулканов, которые тесно связаны с эмиссией метана из недр земной коры. На рисунке 7 показано, как такой вулкан выглядит на местности.
Из-за сильного влияния облачности на измерение содержания метана картографировать его концентрацию целесообразно с осреднением за длительный период времени (месяц, сезон, год).
Загрязнение формальдегидом
Формальдегид является крайне токсичным и канцерогенным соединением. Из естественных источников поступления формальдегида в атмосферу можно выделить лесные пожары, извержения вулканов, деятельность животных и т. д. Основные антропогенные источники выбросов этого соединения: целлюлозно-бумажные комбинаты, автотранспорт, ТЭЦ, химические предприятия. Зачастую формальдегид образуется в атмосфере из других углеводородов, например из метана.
На рисунке 8 показан пример повышения концентрации формальдегида в тропосфере, вызванного лесными пожарами на границе Красноярского края и Иркутской области. Из-за пожаров фоновое содержание HCHO превышено в 10–20 раз.
Загрязнение озоном
Различают стратосферный и тропосферный озон. Озон в стратосфере (пик на высоте 20–25 км) необходим для поддержания жизни на Земле, поскольку поглощает до 99% опасного ультрафиолетового излучения солнца. Однако озон в тропосфере является парниковым газом и очень опасным загрязнителем (из-за сильных окислительных способностей). В нижних слоях атмосферы сильный рост содержания О3 в последние годы объясняется антропогенным воздействием. Прекурсорами озона в тропосфере являются метан и оксиды азота, которые в большом количестве вырабатываются в результате человеческой деятельности.
На рисунке 9 показано распределение концентрации озона на участке Антарктиды в марте 2019 года. Заметно существенное снижение содержания озона ближе к Южному полюсу ― это так называемая озоновая дыра.
Выводы
Sentinel-5P отлично подходит для мониторинга распространения основных загрязнителей в атмосфере, однако низкое пространственное разрешение не позволяет выполнять крупномасштабные исследования. Данные со спутника Sentinel-5P оптимальны для проведения исследований в масштабе 1:1000000 и мельче. Целесообразно выполнять ежедневный мониторинг, а также осреднения по времени ― это снизит влияние атмосферных условий на замеры. Возможен мониторинг крупных чрезвычайных ситуаций. Возможно построение анимации с временным шагом в 1 день для изучения динамики распространения загрязнений.
