Δορυφορική τηλεπισκόπηση της ποιότητας του επιφανειακού αέρα

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1. Παρατηρήσεις από το μέσο MODIS πάνω στο δορυφόρο Terra. Η κορυφή του πίνακα περιέχει οπτικές εικόνες, που απεικονίζουν οικείες καιρικές συνθήκες. Ο κάτω πίνακας περιέχει οπτικό πάχος αερολύματος και το οπτικό πάχος σύννεφου όπως ανακτώνται από τις παρατηρήσεις MODIS.

Εικόνα 2. Τροποσφαιρικές στήλες ΝΟ2 από το πρότυπο προϊόν ΟΜΙ κατά τον Οκτώβριος 2004

Εικόνα 3. Στήλες HCHO από το δορυφορικό όργανο ΟΜΙ για τον Ιούνιο-Σεπτέμβριο του 2006. Λαμβάνεται ο μηνιαίος μέσος όρος σε όλες τις παρατηρήσεις με ποσοστό συννεφιάς λιγότερο από 20%

Πηγή

Συγγραφείς: Randall V. Martin

Λέξεις κλειδιά: τηλεπισκόπηση, ρύπανση, ποιότητα αέρα, εκπομπές, δορυφόρος

Αντικείμενο

Οι κοινοί ρύποι του επιφανειακού αέρα (δηλαδή του αέρα που βρίσκεται στο επίπεδο του εδάφους) περιλαμβάνουν αερολύματα, όζον (Ο3), διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ2), μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και διοξείδιο του θείου (SO2) και μπορούν να καταστούν τοξικοί. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση μειώνει την αβεβαιότητα της χωρικής κατανομής των εν λόγω επιβλαβών ειδών και των διαδικασιών που τις επηρεάζουν. Η τηλεπισκόπηση αναφέρεται στη χρήση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για να αποκτηθούν πληροφορίες, χωρίς να είναι σε φυσική επαφή με το αντικείμενο, το οποίο στην περίπτωση αυτή είναι η ατμόσφαιρα.

Σκοπός

Η μελέτη επικεντρώνεται στη δορυφορική τηλεπισκόπηση της σύστασης του οριακού στρώματος πάνω από την ξηρά, η οποία έχει άμεση σχέση με την ποιότητα του επιφανειακού αέρα λόγω της ταχείας κάθετης ανάμιξης κατά τη διάρκεια της ημέρας. Έμφαση δίνεται στα σύγχρονα δορυφορικά όργανα, που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για τα τροποσφαιρικά ίχνη αερίων και αερολυμάτων. Περιγράφονται οι γεωφυσικές παράμετροι που επηρεάζουν την ανάκτηση της ποιότητας του επιφανειακού αέρα. Δίνεται μια επισκόπηση των κυριότερων δορυφορικών μέσων που εφαρμόζονται στην τηλεπισκόπηση της ποιότητας του επιφανειακού αέρα, καθώς εφαρμογές των ανακτηθέντων ιχνών. Τέλος, παρουσιάζονται συστάσεις για μελλοντική ανάπτυξη.

Γεωφυσικές και τηλεπισκοπικές εκτιμήσεις

1. Τροχιές και θέαση γεωμετρία: Ένα κοινό υψόμετρο τροχιάς είναι 705 χιλιόμετρα, αποδίδοντας 100 λεπτά ανά τροχιά και περίπου 14 πλήρεις τροχιές ανά ημέρα. Το σημείο ακριβώς κάτω από το δορυφόρο ονομάζεται ναδίρ. Η ναδίρ-θέαση γεωμετρίας αναφέρεται σε όλες τις καθοδικά κοιτάζοντας παρατηρήσεις.

2. Ανακτήσεις: Οι δορυφορικές ανακτήσεις της χαμηλότερης ατμόσφαιρας εμπίπτουν σε γενικές γραμμές σε τρεις κατηγορίες. Η πλειοψηφία των οργάνων χρησιμοποιούν παθητικές τεχνικές, παρατηρώντας είτε ηλιακή οπισθοσκέδαση (<4 mm) ή θερμικές υπέρυθρες εκπομπές (4-50 mm). Πολύ πρόσφατα, ενεργητικά όργανα έχουν αναπτυχθεί σε δορυφόρους που μεταδίδουν την ενέργεια προς τα κάτω και μετρούν την οπισθοσκέδαση.

3. Κατακόρυφη ευαισθησία: Η ικανότητα του ναδίρ θέασης δορυφορικών μέσων για την ανίχνευση ίχνη αερίων και αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα εξαρτάται από την επιφάνεια ανακλαστικότητα ή εκπομπή, τα σύννεφα, τη γεωμετρία θέασης, και το μήκος κύματος ανάκτησης. Ανίχνευση αερίων ίχνος εξαρτάται επιπροσθέτως στο κάθετο προφίλ της και, για την ηλιακή οπισθοσκέδασης, για τα αερολύματα.

4. Είδη κάθετης διακύμανσης: Η χωρική κατανομή των αερίων ιχνών και των αερολυμάτων έχει συνέπειες για την ανάκτηση τους. Δύο θέματα που προκαλούν ανησυχία είναι η στρατοσφαιρική στήλη και το κάθετο προφίλ στην τροπόσφαιρα.

Επισκόπηση δορυφόρων

Η δορυφορική τηλεπισκόπηση για ίχνη αερίων στην τροπόσφαιρα ξεκίνησε το 1978 με το λανσάρισμα του TOMS πάνω στο δορυφόρο Nimbus 7. Οι πρώτες εφαρμογές της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για αερολύματα χρησιμοποιούν όργανα AVHRR, Landsat, και GOES για να παρατηρήσουν σωματίδια της ερήμου πάνω από τον ωκεανό και αργότερα ηφαιστειακό θειάφι. Και τα τρία όργανα είχαν σχεδιαστεί κυρίως για την παρακολούθηση των επιφανειακών και των μετεωρολογικών πεδίων, αλλά και για να λαμβάνουν πληροφορίες σχετικά με τα αερολύματα, κυρίως πάνω από το νερό.

Εφαρμογές

Τρεις κύριες εφαρμογές των ανακτηθέντων ιχνών αερίων και αερολυμάτων είναι:

1. Αναλύσεις και προβλέψεις των γεγονότων που επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα: Οι δορυφορικές ανακτήσεις προσθέτουν συνοπτικό και γεωχωρικό πλαίσιο στις επίγειες μετρήσεις της ποιότητας του αέρα. Αυτό το πλαίσιο εφαρμόζεται για ποιοτικές και ποσοτικές αναλύσεις των γεγονότων που επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα.

2. Εξαγωγή συμπερασμάτων της ίδιας της ποιότητας του επιφανειακού αέρα: Οι περισσότερες εκτιμήσεις της ποιότητας του αέρα από δορυφορικές παρατηρήσεις έχουν επικεντρωθεί στη συγκέντρωση μάζας αερολύματος στο επίπεδο του εδάφους.

3. Εκτιμήσεις των εκπομπών: Ένα χημικό μοντέλο μεταφοράς συχνά χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των εκπομπών των διαφόρων ρύπων. Αυτές οι top-down πληροφορίες χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση και τη βελτίωση των bottom-up απογραφών των εκπομπών.

Συστάσεις

1. Δορυφορικός σχεδιασμός για το οριακό στρώμα

• Περιοχές διαφορετικού μήκους κύματος είναι ευαίσθητες σε διαφορετικές κατακόρυφες περιοχές της ατμόσφαιρας. Αυτή η μεταβολή στην ευαισθησία μπορεί να αξιοποιηθεί για την καλύτερη διάκριση του οριακού στρώματος από την ελεύθερη τροπόσφαιρα. Το CO και το Ο3 δίνουν δυνατότητα μια τέτοιας προσέγγισης.
• Τα σύννεφα εντός ενός δορυφορικού pixel είναι ένα βασικό εμπόδιο για την τηλεπισκόπηση του οριακού στρώματος. Ο μελλοντικός σχεδιασμός των εργαλείων για εφαρμογές της ποιότητας του αέρα θα πρέπει να ελαχιστοποιήσει το μέγεθος pixel για να μειωθεί το σφάλμα ανάκτησης, που οφείλεται στα σύννεφα.
• Η σημερινή χωρική ανάλυση των δορυφορικών παρατηρήσεων είναι ανεπαρκής για την επίλυση των ενδο-αστικών κλιμάκων. Μετρήσεις υψηλότερης χωρικής ανάλυσης θα πρέπει να συνδέονται με τις εξελίξεις στο σχεδιασμό του οργάνου και των αλγορίθμων ανάκτησης.

2. Επαλήθευση των δορυφορικών ανακτήσεων

• Η επαλήθευση της δορυφορικής ανακτήσεις της κατώτερη τροπόσφαιρα αποτελεί πρόκληση. Οι, διαθέσιμες για την επαλήθευση, μετρήσεις επιφάνειας και αεροσκαφών είναι συχνά σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες από τις δορυφορικές μετρήσεις, γεγονός που οδηγεί σε διφορούμενη συγκρίσεις.

3. Ανάπτυξη ανάκτησης

• Οι αλγόριθμοι δορυφορικής ανάκτησης εξαρτώνται από εξωτερικές πληροφορίες στα γεωφυσικά πεδία. Ο πλήρης χαρακτηρισμό της επιφανειακής ανακλαστικότητας αποτελεί πρωταρχική πρόκληση για ανακτήσεις αερολύματος.
• Η ανάπτυξη αριθμητικών μοντέλων που αντιπροσωπεύουν με ακρίβεια τις επί τόπου μετρήσεις εξακολουθεί να αποτελεί σημαντική πηγή πληροφοριών. Οι ανακτήσεις των αερίων σε ίχνη χρειάζονται cloud fields που έχουν διορθωθεί για τις επιδράσεις αυτών των αερολυμάτων.

4. Ανάπτυξη μοντέλου

• Ταυτόχρονη ανάπτυξη μοντέλων χρειάζεται για να ληφθούν ταυτόχρονα υπόψη

η παγκόσμια κλίμακα των παρατηρήσεων και η υψηλή χωρική ανάλυση των διαδικασιών της ποιότητας του αέρα.

• Χρειάζονται προγνωστικές αναπαραστάσεις της κατανομής του μεγέθους των αερολυμάτων και της κατάστασης ανάμιξης.

5. Υποστήριξη για την επόμενη γενιά

• Πολλοί δορυφόροι, σε ποικίλες τροχιές, απαιτούνται για να συμπεράνουμε την ημερήσια διακύμανση σε υψηλή χρονική ανάλυση σε παγκόσμια κλίμακα.
• Ανάπτυξη γεωστατικής αποστολής για παροχή συνεχόμενων παρατηρήσεων, βελτίωση των προβλέψεων της ποιότητας του αέρα, παρακολούθηση των εκπομπών ρύπων και κατανόηση της μεταφοράς ρύπων.