دور السواتل في رصد وإدارة التلوث الجوي الحضري

الأزمة المتنامية للتلوث الجوي الحضري

وقد أصبح تلوث الهواء في المناطق الحضرية أحد أكثر التحديات البيئية وتحديات الصحة العامة إلحاحا في القرن الحادي والعشرين، وتقدر منظمة الصحة العالمية أن 99 في المائة من السكان العالميين يتنفسون الهواء الذي يتجاوز حدود مبادئه التوجيهية، وأن المناطق الحضرية هي الأكثر تضررا، وأن محطات الرصد الأرضية ظلت منذ فترة طويلة تشكل العمود الفقري لقياس نوعية الهواء، ولكنها محدودة في الواقع في التغطية المكانية والرقم، وكثيرا ما تكشف المدن في البلدان المنخفضة الدخل والمتوسطة الدخل عن وجود شبكات رصد متداخلة للتلوث.

How Satellites Monitor Air Pollution

(ب) السواتل [المركبات] التي تُستخدم في أجهزة الاستشعار عن بعد والتي تقيس الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يعكسه أو ينبعثه [8] الأرض؛ والجو السطحي والغلاف الجوي؛ والملوثات المختلفة تستوعب أو تبعث الضوء على موجات محددة، مما يتيح للعلماء تقصي تركيزاتهم؛ والملوثات الرئيسية التي يمكن أن تلاحظها السواتل تشمل ثاني أكسيد النيتروجين (بضبة: 0])(2)

الأدوات والبعثات الرئيسية للسواتل

(أ) أداة رصد الغلاف الجوي (TROPOS) [FLT) [الأجهزة الساتلية] لرصد نوعية الهواء (الأجهزة الساتلية: SNOT] SBO-S-O-S-S-O-S-S-S-S-O-S-S-S-O-S-S-S-S-S-O-S-S-S-S-O-S-S-S-S-S-S-() (الأجهزة)

الساتلان [FLT:] Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES-R)[FLT:] series Himawari ، يوفران القدرة على مراقبة تلوث الهواء في فترات دون ساعة، مما يؤدي إلى إحداث تغيير في الاختلاف بين المقاييس.

عمليات استرجاع البيانات وتجهيز البيانات

وتشتمل قياسات الإشعاع بالسواتل الخام إلى تركيزات ملوثة على خوارزميات معقدة تُعزى إلى التقلب السطحي، والغطاء السحابي، والتفرق في الغلاف الجوي، ومشاهدة الهندسة، مثل هذه المنتجات العمودية التي تستخدمها الوكالة غير المحتوية على نباتات (FLT:0)(2) ] ]

ألف - مزايا رصد السواتل لجودة الهواء الحضري

وتوفر السواتل عدة مزايا متميزة على الشبكات الأرضية التي تجعلها لا غنى عنها لإدارة تلوث الهواء في المناطق الحضرية.

التغطية الواسعة النطاق والوحيدة

ويمكن لسواتل واحدة أن تراقب قارة بأكملها في يوم واحد، وتوفر مجموعة بيانات متسقة عبر الحدود السياسية، وهذه التغطية الموحدة قيمة بوجه خاص لمقارنة نوعية الهواء بين المدن أو المناطق التي تستخدم معايير مختلفة للتأهيل الأرضية، كما يمكن للسواتل أن ترصد المناطق النائية أو الخطرة، مثل المناطق الصناعية أو الموانئ أو المناطق المتأثرة بالنيران البرية، حيث تكون المحطات الأرضية شحيحة.

بيانات الزمن الحقيقي والتوقيت القريب من الأرض

وتُقدِّم العديد من السواتل الحديثة بيانات في غضون ساعات قليلة من تجاوزها، وتوفر منابر ثابتات الأرض معلومات محدثة لكل 10 سواتل؛ 15 دقيقة، وهذه القدرة القريبة من الزمن تتيح نظما للإنذار المبكر بشأن أحداث التلوث، مثل السباكات الدخانية الناجمة عن حرائق برية أو حوادث صناعية، وتتيح للسلطات إصدار المشورة الصحية على وجه السرعة.() وعلى سبيل المثال، فإن جهاز رصد جودة الغلاف الجوي

Long-Term Trend Analysis

وقد استخدمت بيانات OMI، على سبيل المثال، لإثبات فعالية سياسات مراقبة انبعاثات المركبات في العديد من المدن، كما كشفت دراسة نشرت في ] Atmospheric Chemistry and Physics، عن انخفاض عدد أنظمة تحسين الانبعاثات في الصين في عام 2005(2).

تحديد مواقع ومصدرات التلوث

ويمكن للصور الساتلية أن تحدد مصادر التلوث المحلية التي قد تفتقدها شبكات أرضية متفرقة، وعلى سبيل المثال، فإن أعمدة عالية من غير ملاحظ ₍₂₎ ] على محطات توليد الطاقة أو الطرق السريعة أو الموانئ واضحة بوضوح في بيانات TROPOMI، وتساعد هذه المعلومات الجهات المنظمة على تنفيذ الأهداف وترتيب أولويات جهود التخفيف.

إدارة نوعية الهواء الحضري مع البيانات الساتلية

ويحول إدماج البيانات الساتلية في أطر إدارة نوعية الهواء كيفية تصميم المدن وتقييم السياسات.

:: إبلاغ التخطيط الحضري وإدارة حركة المرور

ويمكن لمخططي المدن أن يتفوقوا على خرائط التلوث المستمدة من السواتل ببيانات استخدام الأراضي لفهم العلاقة المكانية بين الانبعاثات والبيئات المبنية، وعلى سبيل المثال، يمكن تصميم المناطق المنخفضة الانبعاثات على أساس وجود هياكل أساسية ملاحظـة غير ملاحظـة (FLT:0)(2) ) تركزات على الطرق الرئيسية، وفي لندن، دعم التوسع في منطقة الانبعاثات المنخفضة بواسطة السواتل في عمليات الرصد الساتلية

دعم الامتثال التنظيمي وتقييم السياسات

وتوفّر السواتل مصدرا مستقلا للأدلة لتقييم الامتثال لمعايير نوعية الهواء، ويشجّع توجيه نوعية الهواء الصادر عن الاتحاد الأوروبي الآن صراحة استخدام البيانات الساتلية إلى جانب القياسات الأرضية، وفي الولايات المتحدة، بدأت وكالة الفضاء الأوروبية في إدراج بيانات عن المواد المستنفدة للأوزون الساتلية في نظامها [(FLT:0)]AirNow] لتحسين نظم الانبعاثات _(2).

تطبيقات الصحة العامة

وتُستخدم تقديرات نوعية الهواء المستمدة من السواتل على نحو متزايد في الدراسات الوبائية لتقييم الآثار الصحية للتعرض الطويل الأجل.() وتُحدد ] الدفن العالمي للأمراض ]() الدراسة التي تعتمد على مبادرات ساتلية PM_{(2).() وتقديرات} لتعريف الوفيات والأمراض التي تستهدف السكان المعرضين بشكل غير متناسب للتلوث الجوي على نطاق عالمي.

النقل عبر الحدود

ولا يحترم التلوث الجوي الحدود، فالسواتل مناسبة بشكل فريد لتتبع الانتقال البعيد المدى للملوثات، مثل الغبار من الصحراء إلى المدن الأوروبية أو قارات عبور الدخان البري، وهذه المعلومات بالغة الأهمية لفهم أحداث نوعية الهواء المحلية التي نشأت خارج حدود المدن، فعلى سبيل المثال، أظهرت البيانات الساتلية أن الهش الشديد الذي حدث في سنغافورة وماليزيا في عام 2015 قد نتج عن حرائق البساتلاند في إندونيسيا، مما أدى إلى التعاون الإقليمي في مجال منع الحرائق.

التحديات والحدود المتعلقة برصد السواتل

وعلى الرغم من مزاياها الكثيرة، يواجه رصد تلوث الهواء بواسطة السواتل تحديات كبيرة يجب التصدي لها لتحقيق أقصى قدر من الفائدة.

غلاف الغلاف والاسترجاع

فمعظم أجهزة الاستشعار الساتلية السلبية (التي تعتمد على ضوء الشمس) لا يمكن أن تُرى من خلال السحب، وهذا يعني أن البيانات الساتلية كثيرا ما تكون مفقودة أثناء الظروف التي تُبث فيها الأشعة فوق البنفسجية، والتي يمكن أن تكون متكررة في مناطق حضرية كثيرة، مثل مدن مثل لندن وسياتل، التي تُعاني من غطاء غيومي محدود، مما يحد من عدد الملاحظات الصحيحة، ويمكن أن يؤدي هذا التقييد إلى تحيزات في المتوسطات طويلة الأجل إذا كانت تتوافق مع نظم التلوث الغيومية.

القرار المكاني والتمهيدي

وكثيرا ما يأتي القرار المكاني المرتفع بتكلفة التردد الزمني، إذ توفر السواتل ذات المدار المنخفض الأرضي مثل الساتل " سينتينيل - 5P " صورا عالية الاستبانة، ولكن مرة واحدة فقط في اليوم (في وقت محلي ثابت) وتوفِّر السواتل الثابتة الأرضية حلا زمنيا عاليا، ولكن عادة ما تكون محل حل مكاني، مما يجعل من الصعب الحصول على كل من التدرجات الحضرية الدقيقة والتباينات الدوارة في آن واحد.

القرار الرأسي والتركيزات السطحية

وتقيس السواتل العمود الإجمالي للملوثات أو العمود الجزئي للملوثات، الذي يشمل المساهمات من الغلاف الجوي الحر، وتحويلها إلى تركيزات سطحية، ومخططات ذات أهمية قصوى بالنسبة للانبعاثات البشرية، والنماذج المعقدة التي تشكل الخلط الرأسي، وبالنسبة للمادة الجسيمية، يجب تحويل المادة الاصطناعية إلى مركب PM_{2.5 [FLT:B] باستخدام علاقات.}

معايرة وتقييم

ويجب التحقق من عمليات الاسترجاع بواسطة السواتل من خلال عمليات الرصد الأرضية العالية الجودة، وهذا يتطلب شبكة مكثفة من الأدوات المرجعية مثل AERONET ] بالنسبة للهيروصولات ومطياف باندورا بالنسبة للغازات المتبأة، كما أن العديد من المناطق، ولا سيما في الجنوب العالمي، تفتقر إلى البنية التحتية للتحقق، مما يزيد من عدم اليقين في المنتجات الساتلية هناك.

إدماج البيانات الساتلية مع مصادر أخرى

ويجمع النهج الأكثر فعالية لإدارة نوعية الهواء في المناطق الحضرية بين البيانات الساتلية والقياسات الأرضية والنماذج الجوية وعلوم المواطنين.

ألف - تدفق البيانات والتعلم في مجال الآلات

وتستخدم أساليب التعلم المتقدمة في مجال الإحصاءات والآلات لبث عمليات الرصد بواسطة السواتل مع بيانات الرصد الأرضية وميادين الأرصاد الجوية لإنتاج تقديرات عالية الاستبانة وشاملة لتلوث الهواء السطحي، فعلى سبيل المثال، تُنشئ ] _)(2).5 نماذج قياسية من نواتج مركز البيانات والتطبيقات الكيميائية ذات التأثيرات الاجتماعية والاقتصادية

نماذج النقل الكيميائية

(ج) نظم استيعاب البيانات، مثل [(FLT:0]) دائرة رصد الغلاف الجوي (CAMS) ]، التي تدمج عمليات الاسترجاع الساتلية في نماذج رقمية تحفز النقل والكيمياء وترسيب الملوثات، ويحسن هذا التكامل التنبؤات النموذجية ويوفر صورة متسقة دينامياً عن نوعية الهواء.

Citizen Science and Low-Cost Sensors

ويتيح انتشار أجهزة الاستشعار ذات الجودة الجوية المنخفضة التكلفة مصدراً تكميلياً آخر للبيانات، وفي حين أن هذه أجهزة الاستشعار لها حدود دقيقة، فإن شبكات الكثافة يمكنها أن توفر حلاً مكانياً عالياً بالقرب من الأرض، وعندما تقترن ببيانات ساتلية، فإنها يمكن أن تلتقط تغيرات في الزعانف، مثل التلوث في شوارع محددة أو بالقرب من مباني فردية، فإن السواتل لا تستطيع حلها.

الاتجاهات المستقبلية والتقدم التكنولوجي

ويعود الجيل القادم من البعثات الساتلية بالتغلب على العديد من القيود الحالية وزيادة تعزيز إدارة جودة الهواء في المناطق الحضرية.

الخلاصات التالية:

وسيتيح TEMPO] (أمريكا الشمالية)، Sentinel-4 [الأوروبي]، وGEMS ] [ملوثات قياسية رئيسية، رصد البيئة العالمية، مقياساً زمنياً، لنوعيةً عالمية للتلوث.

أجهزة الاستشعار ذات الطابع الهائي والمتعددة الأنجليزي

وستحمل البعثات المقبلة أدوات أكثر استبانة يمكن اكتشاف المزيد من الملوثات والتمييز بين أنواع الهباء الجوي (مثل الغبار والدخان والهز الحضري) وستؤدي هذه المواد إلى تحسين مكوناتها الصحية [()

التكامل مع سمولسات وكيوبسات

وقد فتحت عملية تقليل أجهزة الاستشعار البصرية الباب أمام مجموعات السواتل الصغيرة التي يمكن أن توفر حلا مكانيا وزمنيا عاليا، وقد توفر شركات مثل Planet Labs بالفعل مئات السواتل الصغيرة لرسم الأرض، كما أن الشارات الجيولوجية المماثلة التي تُستخدم في نوعية الهواء يمكن أن توفر ملاحظات متعددة في اليوم على أي منطقة حضرية.

الاستخبارات الفنية ودمج البيانات

وتحسن أوجه التقدم في التعلم الآلاتي، ولا سيما التعلم العميق، من مقاييس استرجاع السواتل وتقنيات دمج البيانات، ويمكن تدريب الشبكات العصبية على تصحيح التلوث السحابي، وتحسين الحل المكاني من خلال تقنيات الاستبانة الفائقة، وتحسين تقدير التركيزات السطحية من قياسات الأعمدة، وقد بدأت هذه الأساليب القائمة على أساس " AI " في العمل في خدمات مثل CAMS و " .]

الآثار المترتبة على السياسات والتعاون العالمي

بيانات السواتل ليست أداة علمية فحسب بل هي أيضاً أساس لأطر السياسات الدولية.() ويعتمد المنظمة العالمية للأرصاد الجوية؛() برنامج الرصد العالمي للغلاف الجوي () على استخدام البيانات الساتلية والأرضية لتقييمات المناخ والجودة.() ويعتمد مؤشرات برنامج الأمم المتحدة للبيئة لرصد الأهداف الإنمائية() على مدى السنوات الخمس()

وتدرج الحكومات الوطنية أيضاً عمليات رصد السواتل في أطرها التنظيمية، ورصد المظلات الهندية؛ البرنامج الوطني للطيران النظيف ] استخدام البيانات الساتلية لتحديد المدن غير المحتوية وتقييم أثر التدخلات.] السواتل [التحكم في المواد الكيميائية والبيئة [النشر: 4]]

خاتمة

وقد أصبحت السواتل أداة لا غنى عنها في مكافحة تلوث الهواء في المناطق الحضرية، وهي توفر الرصدات الواسعة النطاق والمتسقة والمقربة من الزمن اللازمة لفهم مصادر التلوث، وتتبع الاتجاهات، وتقييم فعالية السياسات، وفي حين أن التحديات مثل الغطاء السحابي، والتسوية الرأسية، والتحقق من صحة هذه المواد، فإن سرعة وتيرة الابتكارات التكنولوجية في العالم، وتوليد أجهزة الاستشعار الأرضية إلى مجموعات صغيرة من السواتل، ووجود نماذج مصممة على أساس واحد من المعايير، تتغلب على نوعية البيانات الحضرية.

For further reading, see the Copernicus Atmosphere Monitoring Service], NASA Earth Observatory, and the World Health Organization air pollution fact sheet.