Доступ к воздуху, безопасному для дыхания, очень важен для планеты и её жителей. Однако сейчас во многих частях света люди и хрупкие экосистемы страдают от воздействия загрязнённой атмосферы. В одних только США плохое качество воздуха ежегодно становится причиной около 60,000 случаев преждевременной смерти и обходится государству более чем в 150 млн. долларов, которые тратятся на лечение связанных с этим недугов.

Сейчас, в период социального дистанцирования и перекрытых границ, во многих регионах происходит снижение выбросов загрязняющих веществ. Фактически мы наблюдаем новое состояние качества воздуха, связанное с отсутствием характерных выбросов от транспорта и иных источников. Атмосфера очищается, и спутники NASA и ESA регистрируют снижение концентрации NO2 над многими городами и транспортными коридорами.

Средняя континентальная концентрация диоксида азота в тропосфере, март 2019. Концентрация увеличивается вдоль градиента от пурпурного к жёлтому.

Контролируя качество воздуха, метеорологи могут прогнозировать и предупреждать периоды его ухудшения, когда людям следует оставаться внутри помещений. Кроме того, учёные отслеживают историю изменений качества воздуха, чтобы понять влияние антропогенных и природных процессов на выбросы загрязняющих веществв атмосферу. Для некоторых веществ такие изменения в концентрации фиксируются спутниками. Одним из устройств, которые собирают такие замеры, является прибор для изучения тропосферыTROPOMI (Tropospheric Monitoring Instrument),установленный на борту космического аппаратаSentinel-5 Precursor (S5P), который в настоящее время находится на орбите.

СпутникS5P был запущен в октябре 2017 года для обеспечения непрерывности сбора данных после вывода из эксплуатации аппаратов Envisat (ESA) и Aura (NASA), а также в преддверии запуска Sentinel-5. S5Pимеет на борту многоспектральный датчик TROPOMI, который регистрирует отражательную способность длин волн, взаимодействующих с различными составляющими атмосферы, включая аэрозоли, моноокисьуглерода, формальдегид, диоксид азота, озон, диоксид серы и метан. S5P также позволяет оценивать некоторые характеристики облачности. Цель этой статьи предоставить краткий обзор данных о выбросах, которые регистрирует TROPOMI, а также продемонстрировать возможности использования платформы Earth Engine для анализа и отображения этой информации. Приведённые ниже сведения следует рассматривать как общее руководство для практического использования данных и платформы, но не как источник выводов о последствиях социального дистанцирования и его влиянии на качество воздуха.

Атмосферные выбросы от лесных пожаров

Горение биомассы в результате пожара может привести к выбросу большого количества дымовых аэрозолей. Отслеживать перенос такого аэрозольного шлейфа в течение дней и даже недель позволяет ежедневная частота и глобальный охват измерений с S5P. На рисунке нижеанимация временного ряда изображений, отражающихциркуляцию аэрозолей, вызванных мощными пожарами австралийских кустарников 20192020 годов, которые в итоге повлияли на качество воздуха в городах Южной Америки. Результаты измерений УФ-аэрозольного индекса, которые использовались в этом случае, применяются и для отслеживания других аэрозольных выбросов, таких как песчаные бури и вулканический пепел.

Аэрозольный шлейф от мощных австралийских кустарниковых пожаров 20192020 годов, распространяющийся на восток через Тихий океан. Анимация по мотивам исследований Сары Апарисио (Sara Aparcio).

Анимация отличное средство визуализации данных, но для количественной оценки временных изменений в загрязнении воздуха зачастую целесообразно использовать растровую алгебру (image math). В следующем примере вычитаются данные на две даты, характеризующие концентрацию угарного газа (CO) до и во времяпожаров в лесах Амазонки в 2019 году. Цель выделить те регионы, где концентрация увеличилась в два и более раз, в результате чего Всемирная организация здравоохранения выпустила предупреждение о чрезмерном загрязнении воздуха.

Разница в концентрациях оксида углерода до и во время пожаров в Амазонке в 2019 году. На картах до (Before) и во время (During) концентрация увеличивается вдоль градиента от фиолетового к жёлтому, а для карты разница (Difference) от чёрного к белому (карта отмаскирована для выделения областей, в которых во время пожаров произошло как минимум удвоение концентрации угарного газа).

Антропогенные атмосферные выбросы

Сжигание ископаемого топлива для нужд промышленности, транспорта и генерации тепла способствует загрязнению воздуха. Слой с данными о концентрации диоксида азота (NO2) хорошо подходит для анализа подобных типов выбросов, поскольку этот газ имеет короткий срок существования, и, как следствие, регистрируется вблизи источника выбросов. К примеру, визуализируя плотность населения (Gridded Population of World dataset) и высокие концентрации NO2 относительно друг друга, можно выявить пространственную корреляцию между плотностью населения и концентрациями NO2 на восточном побережье США.

Пространственная корреляция между точками высокой плотности населения и высокой концентрацией тропосферного диоксида азота в восточной части Соединённых Штатов. Плотность населения увеличивается вдоль градиента от белого к пурпурному, концентрация диоксида азота от тёмно-фиолетового к жёлтому.

На сдвоенной карте сверху и на диаграмме снизу показано, что с увеличением плотности населения усиливается и концентрация NO2 (подробнеео построении графиков в Earth Engine читайте в соответствующем разделе документации).

Связь между плотностью населения и концентрацией тропосферного диоксида азота (NO2) в зимний период в США к востоку от р. Миссисипи. Интерполированные графики NO2 для среднего и межквартального диапазона представлены для интервалов плотности населения от 0 до 20,000 человек/км2 с шагом 2,000 человек/км2, где последний интервал представляет районы с плотностью более 20 000 человек / км2.

В настоящее время большая часть мира практикует социальное дистанцирование с целью снижения воздействия нового типа коронавируса. С уменьшением числа людей, которые ездят на работу, снижаются и атмосферные выбросы диоксида азота (см. интерпретацию от NASA). Использование данных TROPOMI и платформы Earth Engine позволяет учёным исследовать подобные взаимосвязи и закономерности практически в режиме реального времени, а также в региональном и глобальном масштабах. Один из пользователей, Кристина Вринчану (Cristina Vrinceanu), создала приложение Earth Engine, в котором реализован виджет-слайдер для визуализации снижения концентрации диоксида азота в регионах, находящихся на карантине. Так, в приложении Кристины и сопутствующей статье в Medium исследуется регион севера Италии, который в борьбе с распространением вируса применяет в том числе и карантинные ограничения.

Приложение Earth Engine демонстрирует применение виджета-слайдера для сравнения концентрации NO2 за два различных периода времени. (Приложение от Кристины Вринчану).

Ещё один наглядный способ визуализации изменений концентрации загрязняющих веществ в воздухе с течением времени это годовой график. Следующая диаграмма демонстрирует и этот подход, сравнивая по дням концентрацию диоксида азота в период с 2019 по 2020 год в северной Италии.

Среднегодовые временные ряды NO2 в сравнении со значениями концентрации 2020 года и 2019 года, представленные для Паданской низменности на севере Италии (включает Милан, Болонью и Венецию).

Важные дополнения

Существует множество явлений, которые могут повлиять на характер концентрации загрязнений воздуха. Прежде чем делать выводы об изменениях концентрации во времени и соответствующих этому причинах, необходимо учесть все потенциальные источники выбросов, химический состав загрязняющих веществ, условия распространения и систематическую ошибку в измерениях, а также метеорологические условия и условия окружающей среды. Далее рассматриваются несколько явлений, которые влияют на закономерности распределения концентраций загрязняющих веществ, проявляющихся при анализе данных: сезонные колебания, погодные условия и облачный покров.

В некоторых регионах мира определённые сочетания экологии, климата, погоды, географии и выбросов приводят к вариациямконцентрации загрязняющих веществ. Так, для китайской провинции Хубэй характерны сезонные тренды концентраций NO2, что видно на следующем рисунке, на котором изображена серия наблюдений за последний 21 месяц, подкреплённая гармонической линией тренда. Линия трендаполезна для выделения регулярных сезонных колебаний, а также для обособления высокой дисперсии в зимние месяцы, вызваннойсменой погоды. Для того, чтобы не делать выводов на основе отдельных измерений, которые могут представлять аномальные наблюдения, связанные с погодой, рекомендуется использовать линии тренда и вычислять скользящие средние за недели или месяцы наблюдений. Ламсай и др (Lamsai et al., 2010) приводят подробный анализ сезонных тенденций в отношении NO2.

Концентрация NO2 в южной провинции Хэбэй, Китай. Точками представлены результаты измерений; линия представляет собой функцию гармонического тренда для иллюстрации сезонных колебаний.

Точно так же сезонные колебания характеры и для концентраций озона, что показано на следующем графике, который отражает фактические и гармонически интерполированные данные наблюдений атмосферы над районом Великих озёр в Соединённых Штатах (подробнее о гармоническом моделировании в Earth Engine читайте в соответствующем разделе документации).

Временные ряды концентрации озона для района Великих озер в США. Точками представлены результаты измерений; линия представляет собой функцию гармонического тренда для иллюстрации сезонных колебаний.

Важнейшим фактором является облачный покров, который может исказить результаты наблюдений, ограничив вклад нижней части атмосферы в полученные датчиком замеры. Ниже демонстрируется высокая изменчивость облачного покрова на пиксель изображения в районе северной Италии для продукта NO2. Обратите внимание на высокую долю облаковконце января 2019 года в сравнении с тем же периодом год спустя, когда облачный покров был намного меньше. В связи с этимпри сравнении разновременных наблюдений рекомендуется фильтровать данные таким образом, чтобы они включали только пиксели с низким облачным покровом. Подробная информация о свойствахоблачного покрова приведена в соответствующей статье программы Copernicus.

Динамика изменений среднего и межквартального диапазона облачной фракции для продукта NO2, представленная для региона северной Италии. Доля облачности может значительноварьироваться по времени, поэтому,чтобы обеспечить надёжную оценку изменений качества воздуха, рекомендуется ограничивать данные наблюдений S5P выборкой безоблачных или малооблачных условий.

Приложение TROPOMI Explorer

Чтобы обеспечить пользователям удобство и оперативность при работе с данными S5P TROPOMI, а также предоставить платформу для дальнейшего анализа, специалисты Google создали интерактивное приложение, которое позволяет просматривать изменения концентрации загрязняющих веществ с течением времени, используя визуализацию в виде сдвоенных карт или карты-шторки, а также графики временных изменений. Приложение доступно по ссылке.

Интерактивное приложение для исследования данных TROPOMI, созданное с использованием Google Earth Engine Apps.

Хотя многие сейчас находятся на самоизоляции, сообщество пользователей и разработчиков платформы Earth Engine продолжает активно обмениваться идеями. Посмотрите, как другие анализируют и изучают данные S5P TROPOMI с помощью Earth Engine:

• Коронавирус снизил загрязенеие воздуха(статья и приложение Earth Engine)
• обзор временных рядов NO2
• мультивременное сравнение концентраций NO2
• анимация временных рядов NO2

Пользователи Earth Engine мотивируют разработчиков развивать платформу и создавать новые инструменты для понимания нашего воздействия на планету, а также решения других глобальных проблем. Надеемся, что читателю понравился этот краткий обзор данных S5P TROPOMI. Начать самостоятельные эксперименты с данными S5P можно со знакомство с соответствующим каталогом данных в Earth Engine).

Перевод подготовлен преподавателями Инженерной академии Российского университета дружбы народов Василием Лобановым и Ярославом Васюниным.

Эта работа лицензируется в соответствии с Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0)

Проясняется ситуация с отравлением Халактырского пляжа и бухты Авачинской на Камчатке. После переполоха поднятого в соцсетях туда приехали все службы и ученые какие только смогли, и провели бесконечное количество анализов. Оперативная информация выкладывается в официальном телеграм-канале. До конца все причины и факторы не определены, но пока однозначно, что никаких пестицидов или ракетного топлива ни откуда не утекло. А причины гибели морских организмов имеют скорее всего естественный характер. Одну утечку нефтепродуктов на проходящем судне тоже смогли рассмотреть, но вряд ли она причастна к морскому геноциду. И космос оказал в этом расследовании неоценимую помощь.

Основная причина гибели морских животных в Авачинской бухте, а также других обстоятельств, переполошивших интернет это одноклеточные водоросли динофлагелляты. Именно они причастны к токсичным веществам в океанической воде, неприятному запаху, изменению цвета воды, большим пятнам на поверхности, видимым с воздуха. Этот эффект известен, и называется красный прилив, хотя цвет прилива определяется видом одноклеточных, и возможен не только красный, но и вполне желто-зеленый, как в этот раз.

Интенсивный рост микроводорослей в сентябре, с пиком роста в конце месяца, и привел к отравлению серфингистов и донных обитателей. А в конце сентября у побережья Камчатки разразился сильный шторм, он выбросил на берег мертвую морскую живность, которую 2 октября, и обнаружили некоторые инстаграмеры. И началось

Первые пробы, проведенные Минприроды Камчатки, показали повышенное содержание нефтепродуктов и фенола в воде. Greenpeace объявил экологическую катастрофу, полагая, что случилось что-то подобное разливу нефтепродуктов в Норильске. Правда подозрения в утечке у военных токсичного ракетного топлива на полигоне Радыгино не подтвердились. Также проверили полигон захороненных пестицидов у подножия вулкана Козельского, и не нашли значимых протечек, хотя и отметили, что надо за ним следить внимательнее.



Последующие анализы местами показали в морской и речной воде превышение допустимых норм по нефти, фенолам, фосфатам, железу, но не в тех концентрациях, которые способны привести к вымиранию донных обитателей.

Зато ученые Института космических исследований РАН смогли рассмотреть из космоса признаки сброса нефтепродуктов (вероятно льяльных вод) с одного из судов, выходящих из Авачинской бухты 23 сентября.



Сброс не был масштабным, и всего через пару дней никаких его признаков из космоса не просматривалось, но зато он объясняет обнаруженное загрязнение в анализах воды залива. Впрочем в тех окрестностях геологи предполагают небольшие залежи углеводородов, поэтому какая-то нефть могла попасть в воду и естественным путем.

ИКИ РАН не смогли определить, что это было за судно, но СК возбудил уголовное дело. Я подозреваю, что это был рефрижератор Subaru, по крайней мере он как раз покинул порт за несколько часов до этого, но это лишь предположение. Уточнить этот момент тоже можно было бы с помощью космоса, а именно систем АИС-мониторинга, которыми пользуются некоторые сервисы типа MarineTraffic, но к историческим данным там платный доступ, которого у меня нет.

В отравлении Авачинского залива также подозревали и военных, у которых проходили учения в августе, начале и в конце сентября. Но они открестились.

Со ссылкой на Greenpeace в соцсетях разошелся спутниковый снимок от 9 сентября устья реки Налычева севернее Халактырского пляжа. Предполагалось, что этот вынос и есть признак загрязнения.



Однако на самой реке нет каких-либо крупных сооружений или нефтехранилищ, которые могли бы содержать серьезные объемы нефтепродуктов. Но сама возможность использования космических данных привлекла мое внимание, и сейчас я попытаюсь восстановить ход событий, как их видно из космоса.

Река Налычева довольно часто осуществляет заметные выбросы в залив. Например в 2020 году такое случалось в июне, июле, августе и сентябре. Судя по всему такое происходит после каждого достаточно сильного дождя в её верховьях и не приводит к заметным изменениям состояния воды на побережье.



Это лето было рекордно теплым для всего земного шара, особенно Арктики, хотя Камчатке в этот раз не особо досталось, поэтому недостаточно оснований напрямую подозревать причастность глобального потепления к этому эффекту.

Красные приливы на Камчатке происходили и ранее, в том числе вызывавшие гибель морских обитателей, но тогда они не приводили к такому общественному резонансу. Для сравнения с недавними событиями мы можем посмотреть из космоса, как развивался красный прилив 2017 года в Олюторском заливе на северо-востоке Камчатки:



В данном случае это не спутниковые снимки, а уже обработанные данные, позволяющие определять интенсивность живой зелени, благодаря способности хлорофилла хорошо отражать свет ближнего инфракрасного диапазона и поглощать видимый. Тут используется популярный у европейских ученых алгоритм определения хлорофилла по положению красного края спектра отраженного света. Облака вносят некоторые искажения в данные, но видно как яркие краски появляются в море, что и показывает выросшую концентрацию хлорофилла у поверхности воды.

Мы видим как у берегов Камчатки в одном заливе в течение одного месяца резко возрастает концентрация хлорофилла в воде, а потом также исчезает. Это событие привело к локальному мору горбуши. Опасность такого красного прилива определяется циклом жизни микроводорослей: сначала они расцветают, выделяя токсины в процессе своей жизнедеятельности, а после извлечения из водывсех питательных веществ отмирают, а растворенный в воде кислород уходит на окисление всей этой органики. Т.е. микробы наносят двойной удар сначала отравляя, а затем удушая соседей по океану.

Судя по всему, похожий процесс проходил и в сентябре 2020 года в Авачинском заливе. По сообщению отдыхающих серфингистов, в середине месяца вода непривычно и неприятно пахла, а купание приводило к легкому ожогу слизистых. Хотя, по словам медиков, за медпомощью обратилось всего 11 человек с легкими повреждениями, что не тянет на масштабы катастрофы. Но в середине месяца из космоса никакого заметного прироста одноклеточных еще видно не было, зато всё изменилось после шторма в конце сентября. Океан зацвел, как и в Олюторском заливе тремя годами ранее, потом также быстро всё исчезло.



Широкая география распространения водорослей показывает, что этот процесс не привязан к каким-то объектам человеческой деятельности на побережье, ни к Петропавловску-Камчатскому, ни к его немногочисленным сельхозугодьям, ни к реке Налычева.

Зато радарные данные спутника Sentinel 3 показывают на масштабный сброс воды 30 сентября из прибрежных рек. Предполагаю, что в этой воде было много органики от перегнивающей осенней листвы, что обеспечило серьезную подпитку одноклеточным водорослям, которые активизировали рост.



Хотя, возможно просто дело в том, что шторм поднял скопления водорослей из глубины.

Вызвал интерес и радарный снимок от 23 сентября. Необычное пятно, видимое у Халактырского пляжа (в правой части снимка), так и не удалось объяснить. Такое яркое отражение не могло создать нефтяное пятно, и водоросли радаром тоже не ловятся. Это могло быть скопление мусора или какое-нибудь местное возмущение поверхности воды (например дрифтующий авианосец).



В последующие дни никаких следов этого пятна не осталось. Зато оно отвлекло внимание от тонкой темной полосы, которую как раз и определили специалисты ИКИ, как сброс нефтепродуктов с судна.

Шторм завершился 2 октября, когда в некоторых местах побережья начали встречаться выброшенные на берег морские животные. Также на открытый воздух выбралась крупная популяция инстаграмеров с серфингистами и началась виртуальная паника. Она подпитывалась критическим недоверием аудитории к любой официальной информации и опасениями, что чиновники попытаются всё скрыть и замолчать.

Несмотря на фактическое отсутствие оснований у этой паники, её результаты можно оценивать как вполне положительные. Например местная власть озаботилась состоянием полигонов с токсичными веществами, которые хранятся-таки на Камчатке. Многие ученые получили интересные командировки и занимаются полевыми исследованиями в живописной местности. Камчатские власти заговорили о более широком применении космических данных в мониторинге экологии Камчатки и создании предназначенной для этого системы. Вся Россия вспомнила, что у неё есть такое место как Камчатка, что, надеюсь, способствует развитию её туризма.



Вообще, стоит отметить, что камчатское правительство на отлично отработало ситуацию, когда катастрофа развивается только в интернете, но общество требует реагирования в реальном мире.

Удручает во всей этой истории только одно, что все космические данные, которыми пользовались Greenpeace, ученые КамчатНИРО, ДВФУ, ИКИ РАН и блогеры от французской серии спутников Sentinel. Роскосмос тоже провел съемку Халактырского пляжа, но какой-то дополнительной информации это не дало. Сам Росгидромет ведет мониторинг Камчатки с помощью открытых данных американских и европейских спутников. У европейцев же оказались не только более производительные спутники, но и относительно удобный, и, главное, открытый без регистрации и SMS сервис доступа к космическим данным: Sentinel Hub. Наши же Ресурсы, Канопусы и Метеоры не пригодились именно в тот момент, когда космос мог дать самый быстрый ответ о причинах происшествия. Что, впрочем, не мешает их разработчикам заявлять, что нашим спутникам в чем-то аналогов нет.

P.S. Доступ к FTP-архиву Электро-Л вообще закрыли, хотя здесь бы он нам не помог.