Σωματιδιακή ρύπανση και επιπτώσεις στην υγεία: Μία εικόνα από το διάστημα
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Σωματιδιακή ρύπανση και επιπτώσεις στην υγεία: Μία εικόνα από το διάστημα.
Δημοσίευση: Μάρτιος 2011
Συγγραφείς: D.A. Sarigiannis1,2, A. Gotti3 , N.I. Sifakis4 , A.J. Karabelas3 , E. Solomou3 , S. Nikolaki3 , S.P. Karakitsios1 , C. Moussiou5 , E. Amanatidou5
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://www.researchgate.net/profile/Elisavet_Amanatidou/publication/258697046_SOMATIDIAKE_RYPANSE_KAI_EPIPTOSEIS_STEN_YGEIA_MIA_EIKONA_APO_TO_DIASTEMA/links/0f317538c3c6ad9963000000.pdf
Λέξεις κλειδιά: ρύπανση, υγεία
Περίληψη
Οι υψηλής χωρικής ανάλυσης αισθητήρες της Γης αντιλαμβάνονται τις επιπτώσεις στις οπτικές ιδιότητες της ατμόσφαιρας που προέρχονται από την ύπαρξη των σωματιδιακών ατμοσφαιρικών ρύπων ως το καταγραφόμενο σήμα λόγω σκέδασης και απορρόφησης, σε τοπική και περιφερειακή κλίμακα. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η σύνθεση (Fusion) της περιβαλλοντικής και της σχετικής με την υγεία πληροφορίας που επιτρέπει την ελαχιστοποίηση της αβεβαιότητας στη λήψη αποφάσεων σχετικά με την ατμοσφαιρική ρύπανση και τη μείωση αυτής σε αστικό περιβάλλον, προάγοντας τη συνέπεια στη διασυνοριακή παρακολούθηση του περιβάλλοντος. Η αφομοίωση επίγειων μετρήσεων ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε συνδυασμό με δείκτες θολότητας της ατμόσφαιρας εξαγόμενους από δορυφορική τηλεπισκόπηση και δεδομένα πυκνότητας πληθυσμού και μοτίβων χρόνου δραστηριοτήτων, συντελούν στη δημιουργία χαρτών που με ακρίβεια καταγράφουν την χωρική κατανομή της έκθεσης του πραγματικού πληθυσμού, πάνω στους οποίους εφαρμόζονται επιδημιολογικά μοντέλα για την αποτίμηση των επιπτώσεων στην υγεία από λεπτομερή σωματίδια. Επιπλέον, ο συνολικός αλγόριθμος που αναπτύχθηκε στο περιεχόμενο του προγράμματος SMAQ (που χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα Life+) εφαρμόστηκε και αποτιμήθηκε στη Δ. Μακεδονία (Ελλάδα), μια περιοχή που χαρακτηρίζεται από υψηλά επίπεδα σωματιδιακής ρύπανσης σε ετήσια βάση, σχετιζόμενα κυρίως με τη λειτουργία των θερμοηλεκτρικών σταθμών λιγνίτη και τα ορυχεία λιγνίτη. Για πρώτη φορά, δείκτες των αρνητικών επιπτώσεων στην υγεία από την έκθεση του πληθυσμού σε αδρά, λεπτομερή και πολύ λεπτομερή σωματίδια παρουσιάζονται σε χωρική ανάλυση της τάξης των 30 μέτρων σε περιφερειακή κλίμακα. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική περιβαλλοντική πίεση στην αναπνευστική υγεία στις κυρίως πόλεις, καθώς και μη αμελητέο κίνδυνο για καρδιοπνευμονικά νοσήματα στα περιαστικά τμήματα της Δ. Μακεδονίας. Η εργασία κλείνει συζητώντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της μεθοδολογίας SMAQ σε σχέση με τη χρησιμότητά της για τη διαχείριση της ποιότητας του αέρα και τις επιπτώσεις στην υγεία σε άλλες Ευρωπαϊκές πόλεις.
Εισαγωγή
Πρόσφατες έρευνες σε παγκόσμια κλίμακα έχουν αποκαλύψει τη σχέση μεταξύ ατμοσφαιρικής ρύπανσης –κυρίως λεπτών σωματιδίων- και επιπτώσεων στην υγεία. Σωματίδια διαμέτρου 0.1–3 μm συγκαταλέγονται ανάμεσα στα σημαντικότερα ως προς τις αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία. Αυτό με τη σειρά του, έχει δημιουργήσει μια αυξανόμενη πίεση τόσο από τους επιστήμονες περιβάλλοντος, όσο και από τους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων για παροχή χωρικής, χρονικής και συγκρίσιμης πληροφορίας που σχετίζεται με την ατμοσφαιρική ρύπανση και τους σχετιζόμενους δείκτες υγείας. Πρόσφατες προσπάθειες για τη βελτίωση του υπολογισμού της συγκέντρωσης αερολυμάτων σε αστική και περιφερειακή κλίμακα συνδυάζοντας επίγεια δεδομένα μετρήσεων με αριθμητικές προσομοιώσεις παρεμποδίζονται από την ανάγκη για υψηλής ποιότητας και ενημερωμένα δεδομένα απογραφής εκπομπών, καθώς επίσης και από τις ακριβείς εκτιμήσεις των αρχικών και οριακών συνθηκών των μοντέλων. Αυτές οι πληροφορίες δεν είναι πάντα διαθέσιμες σε διάφορες πόλεις ανά τον κόσμο. Οι πληροφορίες που παρέχονται από δορυφόρους θεωρούνται ως πιθανή λύση από αυτό το αδιέξοδο. Ωστόσο, τα δορυφορικά δεδομένα, παρόλο που παρέχουν δεδομένα σε διάφορες γεωγραφικές κλίμακες, (από 0.5 m έως 10 km ανάλυση) έχουν χρονικά κενά, λόγω των γενικά μεγάλων χρόνο περιστροφής πέριξ της Γης. Η σύνθεση επίγειων δεδομένων, μοντελοποίησης της μετεωρολογίας και της αέριας ρύπανσης με φυσικούς δείκτες των αερομεταφερόμενων ρύπων, ώστε να συντεθεί μια υπολογιστική αποτίμηση της συγκέντρωσης των σωματιδίων, μπορεί να είναι η λύση σε αυτή τη φαινομενική αντίθεση. Τέλος, συνδέοντας τα επίπεδα ρύπανσης με μια ομάδα σχέσεων έκθεσης-απόκρισης, και ολοκληρώνοντας αυτά με δεδομένα πυκνότητας πληθυσμού, χάρτες δεικτών υγείας (π.χ. δείκτες νοσηρότητας και θνησιμότητας) σε πολύ υψηλή χωρική ανάλυση μπορούν να προκύψουν για την εκάστοτε περιοχή μελέτης. Η μεθοδολογία που περιγράφεται στο άρθρο αυτό επιτρέπει την εκτίμηση σωματιδιακών συγκεντρώσεων σε υψηλή χωρική ανάλυση (30 m), καλύπτοντας μια περιοχή έκτασης 80-100 x 80-100 km2. Το θεωρητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο αυτής της εργασίας εφαρμόστηκε και αποτιμήθηκε στην περιοχή της Δ. Μακεδονίας (Ελλάδα).
Μεθοδολογία
Πολλές μελέτες τα τελευταία χρόνια έχουν διερευνήσει τη σχέση μεταξύ δεδομένων τηλεπισκόπησης και των επιπέδων ατμοσφαιρικής ρύπανσης στο επίπεδο του εδάφους. Οι περισσότερες από αυτές εστιάζουν στα σωματίδια και στη σχέση τους με το Οπτικό Πάχος του Αεροζόλ (Aerosol Optical Thickness-AOT). Κάποια από τα εμπειρικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν, είχαν υψηλούς συντελεστές συσχέτισης μεταξύ των δύο μεταβλητών, τόσο σε τοπική, όσο και σε περιφερειακή κλίμακα. Σε αυτήν την εργασία διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα και η ακρίβεια μιας τέτοιας προσέγγισης χρησιμοποιώντας Υψηλής Ανάλυσης Δορυφορικούς (High Resolution SatelliteHSR) αισθητήρες. Η χωρική ανάλυση των αισθητήρων HSR που χρησιμοποιήθηκαν όπως ο LANDSAT TM (30m x 30m) αντιπροσωπεύει την πιο ενδιαφέρουσα καινοτομία της δουλειάς μας, επιτρέποντας την ποσοτική εκτίμηση των επιπέδων συγκέντρωσης των PM10 σε πολύ υψηλή ανάλυση σε μια περιοχή περίπου 80km x 80 km. Από δεδομένα δορυφορικής τηλεπισκόπησης έγινε εξαγωγή του AOT, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα μέτρο της θολότητας της ατμόσφαιρας και πιο συγκεκριμένα το ΑΟΤ των αερολυμάτων που σκεδάζουν στο πράσινο τμήμα του ορατού φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (550 nm), ως υποκατάστατο του ρυπαντικού φορτίου. Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε για την αποτίμηση του ΑΟΤ συνδυάζει δύο προσεγγίσεις που λαμβάνουν υπόψιν ανεξάρτητες φυσικές οπτικές επιδράσεις στην ατμόσφαιρα: (α) τη μείωση της αντίθεσης μέσω αποτελεσματικής σκέδασης από αερομεταφερόμενα λύματα σε μικρά μήκη κύματος (π.χ. ορατό φάσμα) και (β) την εξασθένηση ακτινοβολίας που προκαλούν τα σωματίδια σε μακρύτερα μήκη κύματος (π.χ. θερμικό υπέρυθρο φάσμα). Δεδομένα δορυφορικής τηλεπισκόπησης στο ορατό φάσμα (550 nm) χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του AOT των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων. Ωστόσο, η επιδράσεις της ρύπανσης στις οπτικές ιδιότητες της ατμόσφαιρας σε υψηλή χωρική ανάλυση είναι πιο εμφανείς σε συγκεκριμένα τμήματα του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Το υπολογιζόμενο AOT προσδίδει πληροφορία κυρίως σχετικά με αερολύματα διαμέτρου 0.2 - 1.0 µm. Ως εκ τούτου, σκοπεύοντας στη συσχέτιση του δορυφορικά-εξαγόμενου συντελεστή σκέδασης των λεπτών σωματιδίων με τα επίγεια μετρούμενα PM10, η επίδραση της σχετικής υγρασίας πρέπει στη χαμηλότερη τροπόσφαιρα πρέπει να ληφθεί υπόψιν. Η αλλαγή στη σχετική υγρασία οδηγεί σε μια αύξηση στη διάμετρο των σωματιδίων, επειδή οι υδρατμοί απορροφώνται και συμπυκνώνονται σε υδρόφιλα αερολύματα όσο η σχετική υγρασία αυξάνει. Σύμφωνα με μελέτες, η επίδραση της σχετικής υγρασίας στο συντελεστή εξασθένησης e μπορεί προσεγγιστικά να αντιπροσωπευθεί εκθετικά. Ο συντελεστής εξασθένησης αυξάνει πολύ αργά με τη σχετική υγρασία μέχρι τιμές μεταξύ 50% και 65%, στη συνέχεια αυξάνει πολύ γρήγορα και κοντά στο 100%, γίνεται 3-4 φορές υψηλότερος της τιμής σε συνθήκες ξηρής ατμόσφαιρας (σχετική υγρασία 30%). Για τη Δ. Μακεδονία το φυσικοχημικό μοντέλο που βρέθηκε να αντιπροσωπεύει καλύτερα την εξάρτηση της συγκέντρωσης των PM10 στο έδαφος με το συντελεστή σκέδασης και τη σχετική υγρασία είναι: CPM10 a e b RH για RH ≤ RHo K RH PM e C a b e 10 για RH > RHo. Η ακριβής τιμή για το σημείο καμπής της RH (RHo) εξαρτάται από τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες. Οι παράμετροι a, b, aκαι bεξαρτώνται από τη σχετική αναλογία των λεπτών προς τα αδρά σωματίδια. Κ είναι η κινητική σταθερά της ανάπτυξης των λεπτών σωματιδίων λόγω της ατμοσφαιρικής υγρασίας. Η σύνθεση των συγκεντρώσεων των τροποσφαιρικών αερολυμάτων που υπολογίστηκαν βάση των ανωτέρω εξισώσεων με τις συγκεντρώσεις PM κοντά στο επίπεδο του εδάφους όπως αυτές υπολογίστηκαν από ατμοσφαιρική αριθμητική προσομοίωση χρησιμοποιώντας τα μοντέλα CALMET-CALPUFF οδήγησε στην παραγωγή ‘διορθωμένων’ χαρτών του φορτίου αερολυμάτων στην χαμηλότερη ατμόσφαιρα. Η σύνθεση των μοντέλων (Model fusion) έγινε χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο Kalman, σχεδιασμένο έτσι ώστε να μειώνει το σχετικό σφάλμα που εισάγεται από τα δύο υπολογιστικά μοντέλα. Ως μέτρα επιπτώσεων στην υγεία επιλέχθηκαν οι παρακάτω δείκτες νοσηρότητας και θνησιμότητας: αλλαγή στην άμεση θνησιμότητα, αλλαγή στη χρόνια θνησιμότητα, αλλαγή στις διακομιδές σε νοσοκομεία λόγω αναπνευστικών λοιμώξεων, αλλαγή στις διακομιδές σε νοσοκομεία για χρόνια αποφρακτική πνευμονοπάθεια (COPD), αλλαγή στον αριθμό των ενηλίκων με χρόνια βρογχίτιδα και αλλαγή στον αριθμό των ενηλίκων με ασθένειες του αναπνευστικού. Όλοι οι παραπάνω δείκτες αναφέρονται σε αλλαγές επί του ποσοστού αναφοράς.
Αποτελέσματα
Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την αποτίμηση των επιπτώσεων στην υγεία για τον πληθυσμό που εκτίθεται σε PM10 περιέχουν δορυφορικές εικόνες από το 2001, 2002, 2004, 2005 και 2006. Συνολικά 8 εικόνες χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση του συνολικού μοντέλου, οι οποίες επιλέχθηκαν έτσι ώστε να καλύπτουν διαφορετικές εποχές. Όλες οι εικόνες επιλέχθηκαν στη βάση των υψηλών επιπέδων ρύπανσης που μετρήθηκαν από τους επίγειους σταθμούς δικτύου παρακολούθησης κατά τη διάρκεια των συγκεκριμένων ημερών. Αυτή η επιλογή επέτρεψε να υιοθετηθεί μια συντηρητική προσέγγιση στην αποτίμηση των επιπτώσεων στην υγεία από τη ρύπανση. Δεδομένου ότι οι 4 μέρες ανήκαν στην ψυχρή εποχή και οι άλλες 4 στη θερμή, αποφασίστηκε να ομαδοποιηθούν σύμφωνα με την εποχικότητά τους. Για να πραγματοποιηθεί αυτό, χρησιμοποιήθηκε το μέσο όρο των συγκεντρώσεων που εξήχθησαν από τη μεθοδολογία σύνθεσης δεδομένων σε βάση κελί-ανά-κελί αντίστοιχα, για τις ημερομηνίες 7η Φεβρουαρίου 2001, 21η Οκτωβρίου 2001, 10η Φεβρουαρίου 2002, 6η Νοεμβρίου 2004 για να συνθέσουμε το ‘ψυχρό’ σενάριο και τις ημερομηνίες 5η Αυγούστου 2002, 17η Μαΐου 2005, 20η Ιουλίου 2005, 23η Ιουλίου 2006 για να συνθέσουμε το ‘θερμό’ σενάριο. Πρέπει να υπογραμμιστεί ότι τα παραπάνω σενάρια μπορούν να θεωρηθούν ως αντιπροσωπευτικά των χειρότερων συνθηκών ατμοσφαιρικής ρύπανσης το χειμώνα και το καλοκαίρι στη Δ. Μακεδονία. Η χωρική κατανομή των επιπτώσεων στην υγεία σχετιζόμενη με την ψυχρή και τη θερμή εποχή δίνεται αντίστοιχα από τα (σχήματα 1 και 2). Η αποτίμηση της χωρικής κατανομής των προβλεπόμενων επιπτώσεων στην υγεία επιτρέπει τον εντοπισμό των “hot spots”, δηλαδή αστικών περιοχών που χαρακτηρίζονται από συστηματικά υψηλότερο κίνδυνο και συνεπώς των περιοχών προτεραιότητας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι τιμές από όλους τους δείκτες αποτίμησης της υγείας είναι γενικά χαμηλοί στη συνολική περιοχή. Εντούτοις, και την ψυχρή και τη θερμή εποχή οι αστικές περιοχές χαρακτηρίζονται από υψηλότερες τιμές των δεικτών αποτίμησης της υγείας σε σχέση με τα άλλα τμήματα της ευρύτερης περιοχής. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές στην περιοχή της Κοζάνης και της Πτολεμαΐδας, όπου όλοι οι 7 υπολογισμένοι δείκτες αποτίμησης της υγείας παίρνουν τις υψηλότερες τιμές στην περιοχή. Τα αποτελέσματα δείχνουν αμελητέες διαφορές στις μέσες τιμές για όλους τους δείκτες αποτίμησης. Κατά τη θερμή εποχή το εύρος των τιμών είναι μεγαλύτερο από τη ψυχρή περίοδο. Από τα αποτελέσματα προκύπτει το συμπέρασμα ότι η θερμή εποχή συνδέεται με ένα χωρικά τροποποιημένο μοτίβο επιπτώσεων στην υγεία και αυτό πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψιν όταν γίνεται αποτίμηση μέτρων προστασίας της δημόσιας υγείας, αν λάβουμε υπόψιν ότι τη θερμή περίοδο λόγω καλύτερων καιρικών συνθηκών προάγονται οι δραστηριότητες σε ανοιχτούς χώρους.
Συμπεράσματα
Η χρήση δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την αποτίμηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης μπορεί να γίνει μία επαναστατική τεχνολογία για την παρακολούθηση και αξιολόγηση της ποιότητας του περιβάλλοντος, δεδομένου ότι παρέχει μια ολοκληρωμένη εικόνα του περιβαλλοντικού φορτίου σε μεγάλες γεωγραφικές περιοχές. Για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο περιβαλλοντικής διαχείρισης, πρέπει να είναι ικανή να παρέχει μια λεπτομερή ποσοτικοποίηση των συγκεντρώσεων σωματιδίων στον αέρα κοντά στο επίπεδο του εδάφους. Η μεθοδολογία που προτείνεται στην παρούσα εργασία ενσωματώνει δεδομένα τηλεπισκόπησης, όπως είναι το οπτικό πάχος των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων, με μετεωρολογικά δεδομένα (ύψος ανάμειξης, σχετική υγρασία) και δεδομένα μετρήσεων για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης ΡΜ10 πάνω από την περιοχή της Δ. Μακεδονίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η συνδυασμένη χρήση δορυφορικών δεδομένων υψηλής ανάλυσης για το ρυπαντικό φορτίο της χαμηλότερης ατμόσφαιρας με επίγεια δεδομένα μετρήσεων και ατμοσφαιρική/φυσικοχημική προσομοίωση μπορούν να παρέχουν μια πιστοποιημένη προσέγγιση. Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα της μεθοδολογίας συνδέεται με την απ’ ευθείας χρήση αισθητήρων HSR όπως ο LANDSAT TM 5, που παρέχει εκτιμήσεις κατανομής ρύπανσης από PM και των σχετιζόμενων επιπτώσεων στην υγεία σε υψηλή χωρική ανάλυση για μία μεγάλη περιοχή. Αυτό επιτρέπει τον ακριβή χωρικό προσδιορισμό των ‘hot-spot’, όπου είναι οι περιοχές όπου οι υπεύθυνοι για την προστασία της δημόσιας υγείας πρέπει να επικεντρώσουν τις προσπάθειές τους. Περιστασιακοί περιορισμοί της μεθοδολογίας σχετίζονται κυρίως με την επιλογή της κατάλληλης εικόνας αναφοράς για τον υπολογισμό του ΑΟΤ, την παρουσία σύννεφων στις δορυφορικές εικόνες που δεν επιτρέπουν τον υπολογισμό του ΑΟΤ και η αντιπροσωπευτικότητα του ύψους ανάμειξης ως προς τις συγκεντρώσεις κοντά στο έδαφος. Όπως προαναφέρθηκε το τελευταίο μπορεί να περιοριστεί αν οι δορυφορικές εικόνες λαμβάνονται κατά τις ενδιάμεσες ώρες τις ημέρας.
