Βελτιωμένος Εντοπισμός Παγκόσμιων Σημάτων NO2 από τη Ναυτιλία
Από RemoteSensing Wiki
Άρθρο: Improved detection of global NO2 signals from shipping in Sentinel-5P TROPOMI data
Συγγραφείς: Miriam Latsch, Andreas Richter, John P. Burrows, Hartmut Bösch
Πηγή: https://doi.org/10.5194/amt-18-4373-2025
Ημερομηνία: 10 Σεπτεμβρίου 2025
Περίληψη
Η παρούσα μελέτη εμπίπτει στο πεδίο της Ατμοσφαιρικής Φυσικής και Ποιότητας Αέρα, εστιάζοντας στον εντοπισμό ανθρωπογενών εκπομπών οξειδίων του αζώτου (NO2) από την παγκόσμια ναυτιλία. Κύριος στόχος είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για τη δημιουργία ενός ανεξάρτητου εργαλείου παρακολούθησης, ικανού να επαληθεύει τις απογραφές ρύπων και να εντοπίζει πηγές που διαφεύγουν της καταγραφής. Στο παρελθόν, η εκτίμηση των ναυτιλιακών εκπομπών γινόταν αποκλειστικά με συμβατικές μεθόδους, όπως τα μοντέλα απογραφής (bottom-up) και τα δεδομένα AIS. Οι μέθοδοι αυτές, ωστόσο, παρουσίαζαν σημαντικούς περιορισμούς λόγω ελλιπών στοιχείων ή αδυναμίας κάλυψης παράνομων δραστηριοτήτων ("σκοτεινά πλοία"). Η προτεινόμενη προσέγγιση καλύπτει αυτό το κενό, αξιοποιώντας τη συνεχή δορυφορική κάλυψη για την απευθείας μέτρηση των ρύπων, προσφέροντας μια αντικειμενική εικόνα της ρύπανσης που δεν βασίζεται στην εθελοντική αναφορά θέσης από τα πλοία.
Μέθοδοι
Η έρευνα βασίζεται αποκλειστικά σε δεδομένα από τον δορυφόρο Sentinel-5P του προγράμματος Copernicus και το φασματόμετρο TROPOMI, εστιάζοντας στο φασματικό εύρος UV-Visible (405–465 nm) για την ανίχνευση NO2. Μια κρίσιμη καινοτομία είναι η χρήση της λοξής στήλης πυκνότητας (tSCD) αντί της τυπικής κάθετης στήλης (VCD). Η επιλογή αυτή έγινε για να αποφευχθούν οι αβεβαιότητες του Συντελεστή Αέριας Μάζας (AMF) πάνω από τους ωκεανούς, ο οποίος συχνά επισκιάζει το ασθενές σήμα των πλοίων. Για την ανάδειξη της πληροφορίας, χρησιμοποιήθηκε ένα εκτεταμένο χρονοσειριακό σύνολο δεδομένων (2018–2022) ώστε να μεγιστοποιηθεί ο λόγος σήματος προς θόρυβο. Εφαρμόστηκαν αυστηρές προεπεξεργασίες: φιλτράρισμα νέφωσης (κάλυψη >30%), μάσκα ξηράς για εστίαση στο θαλάσσιο περιβάλλον και χρήση φίλτρων Fourier για destriping (αφαίρεση θορύβου γραμμώσεων). Ως προηγμένη επεξεργασία εξαγωγή χαρακτηριστικών, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος επαναληπτικού υψιπερατού φίλτρου (High-pass filter), ο οποίος αφαιρεί το ομαλό υπόβαθρο του NO2 και απομονώνει τις αιχμές των καυσαερίων, επιτρέποντας τον εντοπισμό ακόμα και ασθενών ιχνών που χάνονταν σε ημερήσιες λήψεις.
Στο πλαίσιο των επεξεργασιών GIS, τα δεδομένα συγχωνεύθηκαν σε χωρικό πλέγμα υψηλής ανάλυσης (0.05° × 0.05°) μέσω υπερ-δειγματοληψίας. Η χρήση επιπρόσθετων δεδομένων (μοντέλο απογραφής CAMS-GLOB-SHIP και χάρτες AIS) κρίθηκε αναγκαία για την αξιολόγηση, καθώς χωρίς αυτά θα ήταν αδύνατος ο διαχωρισμός των πραγματικών σημάτων ναυσιπλοΐας από τυχόν τεχνητά σφάλματα του δορυφόρου ή ατμοσφαιρικό θόρυβο.
Αποτελέσματα
Η μέθοδος αποκάλυψε με ευκρίνεια τις κύριες ναυτιλιακές οδούς σε Ινδικό, Μεσόγειο και Ειρηνικό, οι οποίες παρέμεναν αόρατες στα ακατέργαστα δεδομένα επιπέδου L2. Επιπλέον, η ανάλυση κατέδειξε ότι η ποιότητα του εντοπισμού εξαρτάται σημαντικά από τις μετεωρολογικές συνθήκες, καθώς οι ισχυροί άνεμοι προκαλούν διασπορά και "θόλωμα" των ιχνών, καθιστώντας δυσκολότερη την ανίχνευση σε περιοχές με έντονη κυκλωνική δραστηριότητα, εντούτοις η μακροχρόνια συσσώρευση δεδομένων αντιστάθμισε μερικώς αυτό το πρόβλημα.
Η στατιστική και οπτική σύγκριση με τη βάση CAMS-GLOB-SHIP έδειξε ισχυρή χωρική συσχέτιση, επιβεβαιώνοντας την ικανότητα του δορυφόρου να ποσοτικοποιεί τη δραστηριότητα. Όπως φαίνεται και στο παράδειγμα του Ατλαντικού Ωκεανού, οι διακριτές λωρίδες ναυσιπλοΐας που εντοπίζει ο δορυφόρος ταυτίζονται απόλυτα με τις καταγραφές των μοντέλων AIS.
Η ακρίβεια της μεθόδου επιβεβαιώθηκε περαιτέρω μέσω του εντοπισμού σταθερών σημείων εκπομπής, όπως οι πλατφόρμες πετρελαίου στη Βόρεια Θάλασσα, οι οποίες ταυτοποιήθηκαν απόλυτα με τις γνωστές εγκαταστάσεις.
Το πλέον σημαντικό εύρημα προέκυψε από την αντιπαραβολή με το AIS. Σε περιοχές όπως ο Βόρειος Ειρηνικός, το μοντέλο εντόπισε σαφή γραμμικά ίχνη NO2 ("ορφανά σήματα") χωρίς αντίστοιχα στίγματα πλοίων. Αυτό υποδηλώνει την παρουσία πλοίων που δεν αναφέρουν τη θέση τους ή σφάλματα καταγραφής, αποδεικνύοντας την υπεροχή της τηλεπισκόπησης στον εντοπισμό μη δηλωμένης δραστηριότητας.
Συμπεράσματα
Η μελέτη καταδεικνύει ότι η καινοτόμος χρήση της tSCD του TROPOMI με εξειδικευμένους αλγορίθμους συνιστά μια αξιόπιστη μέθοδο παρακολούθησης της ναυτιλίας. Λειτουργώντας συμπληρωματικά προς το AIS, προσφέρει ένα κρίσιμο εργαλείο ελέγχου συμμόρφωσης και εντοπισμού παράνομων εκπομπών, ειδικά εντός των καθορισμένων Περιοχών Ελέγχου Εκπομπών (ECAs). Η δυνατότητα ανεξάρτητης επαλήθευσης κρίνεται απαραίτητη για την υποστήριξη των διεθνών κανονισμών του IMO, θέτοντας παράλληλα τα θεμέλια για την αξιοποίηση μελλοντικών αποστολών (όπως το CO2M) υψηλότερης διακριτικής ικανότητας, οι οποίες θα επιτρέψουν τη συσχέτιση των εκπομπών NO2 με τα αέρια του θερμοκηπίου για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής.
