Исследование загрязнения атмосферы по космическим снимкам Sentinel-5P

Sentinel-5 Precursor (Sentinel-5P) ― космический спутник, запущенный в 2017 году Европейским космическим агентством (ESA) с целью ежедневного глобального наблюдения за химическим составом атмосферы Земли, содержанием и распространением в ней основных загрязнителей и парниковых газов. Основная полезная нагрузка спутника ― сенсор TROPOMI (Tropospheric Monitoring Instrument), выполняющий сбор данных в ультрафиолетовом (UV), видимом (VIS), ближнем (NIR) и среднем инфракрасном диапазонах (SWIR). Пространственное разрешение сенсора варьируется от 1,8 до 28 км, но для большинства каналов составляет 7х7 км (таблица 1). В канале №1 больший размер пикселя объясняется низким соотношением сигнал/шум в этом диапазоне спектра. Временное разрешение сенсора составляет всего 1 день при глобальном охвате.

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).

Содержание газов в продуктах определяется в моль/кв. м вертикального столба тропосферы/атмосферы, но для удобства значение можно переводить в мкмоль/кв. м. Помимо этого, Sentinel-5P предоставляет много второстепенных данных, таких, как доля облаков, альбедо поверхности, скорость ветра и т. д. Данные поставляются в формате NetCDF (Network Common Data Form), поэтому для их обработки и географической привязки необходимо специальное программное обеспечение и знание основ программирования.

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.

Региональные исследования загрязнения тоже возможны (рисунок 2). Заметен шлейф загрязнения в юго-восточном направлении от Москвы, а также низкие значения концентрации NО₂ в районах с низкой плотностью населения и промышленности в западной, северной и восточной частях области.
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.