Δορυφορική τηλεπισκόπηση των αιωρούμενων σωματιδίων και αξιολόγηση της ποιότητας του αέρα πάνω από μεγαλουπόλεις

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 22:00, 6 Φεβρουαρίου 2017

Εικόνα 1. Μεταβολές στη συγκέντρωση μάζας ΑΣ2,5 και του οπτικού βάθους αερολύματος από MODIS στα 0,55mm πάνω από όλες τις πέντε περιοχές μελέτης κατά τη διάρκεια του 2002 εκτός από τα δεδομένα από το Δελχί που είναι για το έτος 2003. (α) Νέα Υόρκη (ΗΠΑ), (β) Ελβετία (γ) Χονγκ Κονγκ (δ) Δελχί (Ινδία) και (ε) το Σίδνεϊ (Αυστραλία). Οι μπάρες με το γκρι χρώμα δείχνουν το δείκτη της ποιότητας του αέρα με βάση την συγκέντρωση μάζας ΑΣ2,5 σύμφωνα με τα πρότυπα EPA των ΗΠΑ.

Εικόνα 2. Σχέση μεταξύ των 24 ωρης κατά μέσο όρο συγκέντρωσης μάζας ΑΣ2,5 (μgm-3) και MODIS ΟΠΑ 0,55 χιλιοστών. Η οριζόντια γραμμή με τα αμφίδρομα βέλη δείχνει διαφορετικά όρια της ποιότητας του αέρα.

Πηγή

Συγγραφείς: Pawan Gupta, Sundar A. Christopher, Jun Wang, Robert Gehrig, Yc Lee, Naresh Kumar

Αντικείμενο

Σχεδόν ο μισός παγκόσμιος πληθυσμός ζει σήμερα σε αστικές περιοχές και ο αριθμός τους θα αυξηθεί σε τέσσερα δισεκατομμύρια μέχρι το τέλος αυτής της δεκαετίας. Τα Αιωρούμενα Σωματίδια (ΑΣ ή αερολύματα) είναι ένας από τους σημαντικότερους ρύπους που επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα στις αστικές, αλλά ακόμη και τις αγροτικές περιοχές του κόσμου. Η παρακολούθηση της σωματιδιακής ρύπανσης έχει προσελκύσει νέο ενδιαφέρον με πρόσφατες επιστημονικές αποδείξεις για τις επιπτώσεις των ΑΣ στην κακή υγεία. Για να κατανοήσουμε τις επιπτώσεις των ΑΣ στο κλιματικό σύστημα της Γης και της ανθρώπινης υγείας, είναι απαραίτητο να παρακολουθεί συστηματικά τα σωματίδια ΑΣ2.5 (ΑΣ με αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη των 2,5 μm) σε παγκόσμια βάση. Το έργο αυτό είναι δύσκολο, διότι αυτά τα αερολύματα υπό του μικρομέτρου είναι εξαιρετικά μεταβλητά στο χώρο και το χρόνο.

Σκοπός

Στην παρούσα μελέτη η Οπτική Πυκνότητα Αερολύματος (ΟΠΑ) στα 0,55 μm, που προέρχεται από MODIS (MODerate resolution Imaging Spectro-radiometer) από δύο δορυφόρους, Terra και Aqua, συγκρίνεται με τις διάφορες επίγειες συγκεντρώσεις μάζας εξάπλωσης ΑΣ2,5 (μgm-3), στην Ινδία, την Αυστραλία, το Χονγκ Κονγκ, την Ελβετία και τις ΗΠΑ. Επίσης, γίνεται και μια ανάλυση ευαισθησίας πάνω από επιλεγμένες τοποθεσίες για την ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων του ατμοσφαιρικού ύψους ανάμειξης, της σχετικής υγρασίας και της νεφοκάλυψης στη σχέση μεταξύ της MODIS-ΟΠΑ και των συγκεντρώσεων μάζας ΑΣ2,5. Αυτή η μελέτη είναι μεταξύ των πρώτων που εξετάζει τη σχέση μεταξύ δορυφορικών και επίγειων μετρήσεων πάνω από αρκετές παγκόσμιες θέσεις.

Δεδομένα και μέθοδοι

Οι αισθητήρες MODIS επί των δορυφόρων Terra και Aqua έχουν 36 φασματικά κανάλια που παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τις ατμοσφαιρικές, τις επίγειες και ωκεάνιες συνθήκες. Το MODIS παρέχει παρατηρήσεις σε μέτρια χωρική (από 250 m-1 km) και χρονική (1-2 ημέρες) ανάλυση σε διάφορες φασματικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Ο αλγόριθμος ΟΠΑ χρησιμοποιεί παρατηρούμενες ακτινοβολίες σε επτά μήκη κύματος (0,47 - 2,13 mm) πάνω στον ωκεανό και δύο μήκη κύματος (0,47, και 0,67 mm) πάνω από την ξηρά και προυπολογισμένους πίνακες παραπομπής για την ανάκτηση της ΟΠΑ. Στις ΗΠΑ, την Αυστραλία και το Χονγκ Κονγκ η ΑΣ2,5 μετριέται χρησιμοποιώντας έναν κωνικού στοιχείου παλμικό θερμοζυγό (Tapered-Element Oscillating Microbalance, TEOM) με ακρίβεια ±1,5 μgm-3 για ωριαίες μέσες τιμές. Στην Ελβετία χρησιμοποιούνται ψηφιακοί, μεγάλου όγκου δειγματολήπτες (High Volume Samplers, HSV) αβεβαιότητας ±10%. Το μοντέλο HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT), του ΝΟΑΑ, χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των όπισθεν στροφών της μάζας αέρα για χρονικό διάστημα 24 ωρών, με συνολικό χρόνο λειτουργίας 10 ημέρες. Τα MODIS ΟΠΑ και ΑΣ2,5 ήταν συν-εγκατεστημένα χωρικά και χρονικά για ενδο-συγκριτική και ποσοτική ανάλυση. Η γεωγραφική συνεγκατάσταση των MODIS pixels με σταθμούς ΑΣ2,5 πραγματοποιείται με τον υπολογισμό της απόστασης μεταξύ των MODIS pixel και ΑΣ2,5 σταθμό χρησιμοποιώντας γεωγραφικό μήκος και πλάτος.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Στην Εικόνα 1 (α-ε) φαίνεται η μέση μηνιαία συγκέντρωση μάζας ΑΣ2,5 (με μαύρα σημεία) και το MODIS ΟΠΑ (τετράγωνα) για διάφορες περιοχές. Οι συμπαγείς και οι διακεκομμένες γραμμές είναι γραμμές δια παρεμβολής των ΑΣ2,5 και ΟΠΑ, αντίστοιχα. Στην Εικόνα 1 περιλαμβάνονται, επίσης, οι κατηγορίες ποιότητας του αέρα και παρουσιάζονται με γκρι οριζόντιες συνεχείς γραμμές, που εκπροσωπούν την κατάσταση της ποιότητας του αέρα σε κάθε περιοχή με βάση το φορτίο μάζας ΑΣ2,5.

Η ποιότητα του αέρα θεωρείται:

• Καλή, αν η μέση ημερήσια συγκέντρωση μάζας ΑΣ2,5 είναι μεταξύ 0-15.4 μgm-3.
• Μέτρια, αν είναι μεταξύ 15.4-40.4 μgm-3.
• Ανθυγιεινή για ευπαθείς ομάδες, όπως τα παιδιά και οι ηλικιωμένοι, αν είναι μεταξύ 40.5-65.4 μgm-3.
• Ανθυγιεινή, αν είναι μεταξύ 65.5-150.4 μgm-3.
• Πολύ ανθυγιεινή, αν είναι μεταξύ 150.5-250.4 μgm-3.

Στην Εικόνα 1-α παρατηρούμε ότι η εποχιακή διακύμανση του ΟΠΑ πάνω από την πόλη της Νέας Υόρκης είναι σε καλή αντιστοιχία με τις τάσεις των ΑΣ2,5.

• Μέγιστη συγκέντρωση των ΑΣ2,5 παρατηρείται τον Ιούλιο, με τιμή 28 μgm-3.
• Οι τιμές του ΟΠΑ ήταν υψηλότερες τον Ιούνιο, με μικρή διαφορά από τον Ιούλιο.
• Οι υψηλές τιμές των ΑΣ2,5 και ΟΠΑ κατά τον Ιούλιο συνδέονται με τη μεταφορά καπνού από τον Καναδά.

Στην Εικόνα 1-b παρουσιάζεται το μέσο μηνιαίο ΟΠΑ και η μέση μηνιαία μάζα των ΑΣ2,5 πάνω από την Ελβετία.

• Η μέγιστη τιμή ΟΠΑ παρατηρήθηκε τον Απρίλιο, ενώ η μέγιστη τιμή ΑΣ2,5 τον Ιανουάριο.
• Οι τιμές ΟΠΑ και ΑΣ2,5 παρουσιάζουν παρόμοιες μηνιαίες διακυμάνσεις από τον Απρίλιο μέχρι το Σεπτέμβριο.

Στην Εικόνα 1-c παρουσιάζονται αποτελέσματα για την πόλη του Χονγκ Κονγκ.

• Το ΟΠΑ παρουσιάζει μια κατανομή με δύο κορυφές κατά τη διάρκεια του χρόνου, ενώ τα ΑΣ2,5 παρουσιάζουν μια κορυφή.
• Κατά τη διάρκεια του χειμώνα, η μέγιστη ωριαία μάζα ΑΣ2,5 είναι στα 133.5 μgm-3 και η αντίστοιχη τιμή ΟΠΑ είναι 1.1.

Στην Εικόνα 1-d παρουσιάζονται δεδομένα για το Δελχί κατά το 2003.

• Η συγκέντρωση ΑΣ2,5 κυμαίνεται από 36 έως 52 μgm-3, η οποία είναι δύο έως τρεις φορές υψηλότερη από τη συγκέντρωση στο Σίδνεϋ.
• Για το ΟΠΑ το μέγιστο παρατηρήθηκε το Μάιο, με τιμή ΟΠΑ 0.9, και το ελάχιστο καταγράφηκε το Φεβρουάριο, με τιμή 0.38.
• Η τιμή του ΟΠΑ αρχίζει να μειώνεται καθώς πλησιάζουν οι καλοκαιρινοί μουσώνες στα τέλη Ιουλίου ή αρχές Αυγούστου, και η πτώση στην τάση του ΟΠΑ συνεχίζεται μέχρι το Δεκέμβριο, ως αποτέλεσμα της έκπλυσης από τη βροχή των μουσώνων.

Στην Εικόνα 1-e παρουσιάζονται δεδομένα για το Σίδνεϋ. Χαμηλές τιμές ΟΠΑ παρουσιάζονται το χειμώνα και υψηλές το καλοκαίρι, για το νότιο ημισφαίριο. Το Οπτικό Πάχος Αερολύματος πάνω από το Σίδνεϋ παρουσιάζει πολύ καθαρά μηνιαία μοτίβα.

Στη συνέχεια, υπολογίστηκε ο συντελεστής γραμμικής συσχέτισης μεταξύ της ωριαίας μάζας ΑΣ2,5 και ΟΠΑ MODIS, με σκοπό να γίνει ποσοτική ανάλυση της σχέσης μεταξύ τους. Στην Εικόνα 2 παρουσιάζεται το διάγραμμα διασποράς μεταξύ μέσων εικοσιτετράωρων τιμών ΑΣ2,5 και ΟΠΑ, που προκύπτουν από Terra MODIS και Aqua MODIS, αντίστοιχα, πάνω από τις πέντε περιοχές της μελέτης.

Συμπεράσματα

• Χρησιμοποιώντας δεδομένα ΟΠΑ από MODIS, Terra και Aqua δορυφόρους της NASA, μαζί με παρατιθέμενες επίγειες μετρήσεις της συγκέντρωσης ΑΣ2,5 σε 26 σταθμούς, κατανεμημένους σε πέντε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές του κόσμου, εξετάστηκε η ποιότητα του αέρα ΑΣ. Χρησιμοποιώντας την ανάλυση παλινδρόμησης, που προέρχεται από εμπειρική σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης μάζας ΑΣ2,5 σε 24 ώρες και MODIS ΟΠΑ(σε 0,55 χιλιοστά) εξάγεται στο συμπέρασμα ότι τα δεδομένα ΟΠΑ από δορυφόρο είναι ένα εξαιρετικό εργαλείο για τη μελέτη της ποιότητας του αέρα σε μεγάλες χωρικές περιοχές.

• Τα δορυφορικά δεδομένα μπορούν τώρα να χρησιμοποιηθούν σε περιοχές όπου επίγειες μετρήσεις δεν είναι διαθέσιμες. Αν υπάρχει μεταφορά ρύπων από μια περιοχή σε άλλη, τότε οι μετρήσεις επιφάνειας δεν μπορούν να συλλάβουν το συνοπτικό χαρακτήρα αυτών των γεγονότων και είναι δύσκολο να εντοπιστεί η πηγή των ρύπων.

• Ωστόσο, τα στοιχεία κατακόρυφης διανομής αερολύματος χρειάζονται μαζί με τα μετεωρολογικά δεδομένα για να βελτιωθεί περαιτέρω η ανάλυσή μας. Η περιφερειακή ανάλυση δείχνει ότι η κατάσταση της ποιότητας του αέρα είναι καλή στο Σίδνεϋ και την Ελβετία, ενώ είναι χειρότερη στο Χονγκ Κονγκ και το Νέο Δελχί και μέτρια στην πόλη της Νέας Υόρκης κατά τη διάρκεια της μελετώμενης περιόδου.