Obniżenie poziomu dwutlenku azotu w północnych Włoszech

Usługa monitorowania atmosfery Copernicus (CAMS), wdrożona przez Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych w imieniu Komisji Europejskiej, zapewnia codzienne bieżące analizy stężeń zanieczyszczeń powietrza. Oparte na bezpośredniej obserwacji satelitów dane mogą służyć do ilościowej i szczegółowej analizy zmian tych stężeń. Ich przyczyn można upatrywać w podejmowanych na całym świecie działaniach dla ochrony przed COVID-19.

Regionalne analizy jakości powietrza CAMS przedstawiane są w formie godzinnych map siatkowych. Stanowią one wyniki połączenia obserwacji satelitarnych, powierzchniowych i modelowania numerycznego. Poniżej przedstawiono chwilowe stężenia powierzchniowe NO_² od 1 stycznia tego roku w punkcie obejmującym swoim zasięgiem Mediolan. Przez pierwszych pięć tygodni roku nie odnotowano wyraźnego trendu zmian stężenia dwutlenku azotu, ale od szóstego tygodnia do dzisiaj widać tendencję spadkową. W styczniu średnie stężenie NO₂ wynosiło w tym miejscu około 65 mg/m³, w lutym 45 mg/m³, a w pierwszej połowie marca około 35 mg/m³. Liniowy trend spadkowy rzędu -4 mg/m³ tygodniowo średniej dziennej zanieczyszczeń powietrza trwa od szóstego tygodnia roku.
Podobne spadki zanotowano w innych miastach w północnych Włoszech, takich jak Turyn i Bergamo. Z kolei na wschodzie tego kraju nastąpiła raczej skokowa zmiana. W Bolonii, gdzie koncentracja gazu wynosiła średnio około 30 mg/m³ w styczniu, od początku lutego wynosi około 15 mg/m³ (odpowiednio 35 mg/m³ i 15 mg/m³ dla Wenecji).

To, co zaobserwował satelita, jest proporcjonalne do pionowo zintegrowanej ilości zanieczyszczeń od poziomu ziemi do szczytu atmosfery. Różni się to znacznie od stężeń na powierzchni, a tym bardziej od emisji. Biorąc to pod uwagę, to dość niezwykłe, że można wykryć ten spadek poziomu aktywności. Ukazuje to zakres podjętych przez Włochy działań – wyjaśnia Vincent-Henri Peuch, dyrektor Usługi Monitorowania Atmosfery Copernicus.

NO₂ jest krótkotrwałym zanieczyszczeniem. Wyemitowany pozostaje w atmosferze na ogół krócej niż jeden dzień, zanim zostanie osadzony lub zareaguje z innymi gazami. Zanieczyszczenie pozostaje więc dość blisko miejsca, w którym zostało wyemitowane. Większość źródeł jego emisji jest generowana przez działania człowieka, takie jak ruch uliczny, produkcja energii, ogrzewanie domów, przemysł itp. Główne źródła tego zanieczyszczenia są różne i zależą od pory dnia, tygodnia, czy miesiąca. Emisja dwutlenku azotu zależy również od pogody, ponieważ zimne okresy powodują wzrost zapotrzebowania na ogrzewanie i energię.

CAMS stale monitoruje jakość powietrza w Europie i na świecie. Dostarcza dane do większości wiodących w tym zakresie stron internetowych i aplikacji na smartfony, takich jak Windy, The Weather Channel, Breezometer czy Plume Labs.

Czym jest CAMS?

CAMS jest wdrażany przez ECMWF w imieniu Komisji Europejskiej. Regionalne analizy jakości powietrza CAMS są tworzone przez konsorcjum wykonawców kierowane przez Météo-France i INERIS (Francja). Partnerzy konsorcjum opierają się na obserwacjach jakości powietrza na powierzchni, dostarczanych przez Europejską Agencję Środowiska, która gromadzi je z każdego kraju.

Regionalne analizy jakości powietrza CAMS mają postać map siatkowych i są uzyskiwane dzięki łączeniu obserwacji satelitarnych, powierzchniowych i modelowania numerycznego, które odtwarza obowiązujące w atmosferze prawa fizyki i prawa chemiczne. Zebrane dane wysokiej jakości można uznawać za tzw. „ground truth”, czyli dane oparte na bezpośredniej obserwacji. Ich głównym ograniczeniem jest to, że nie mogą one uwzględniać drobnej zmienności przestrzennej i lokalnych odziaływań, które występują w odległości od kilku do stu metrów w pobliżu źródła, takiego jak odcinek drogi o dużym natężeniu ruchu lub komin w elektrowni. Dane reprezentują średnie wartości tła na siatce o skali od 10 km do 10 km. Dane są otwarte i darmowe. Można je uzyskać w CAMS Atmosphere Data Store (ttp://ads.atmosphere.copernicus.eu).

Jak satelity obserwują zanieczyszczenie powietrza?

Należący do programu Komisji Europejskiej Copernicus satelita Sentinel-5 Precursor (S-5P) korzysta z przyrządu TROPOMI, który dysponuje rozdzielczością przestrzenną 3,5 km x 5 km. Pozwala to uzyskać dokładne mapy wielu zanieczyszczeń powietrza, takich jak NO₂. Obserwacje satelitarne mają jednak pewne ograniczenia poziomu szczegółowości. Po pierwsze, dokonują pomiarów z satelitów na niskiej orbicie ziemskiej i zapewniają tylko jeden pomiar dziennie dla każdej lokalizacji na Ziemi. Po drugie, z uwagi na fizyczne cechy atmosfery, w przypadku zanieczyszczeń takich jak NO₂, pomiary nie są możliwe lub nie nadają się do wykorzystania w przypadku obecności chmur i drobnych cząstek zawieszonych w powietrzu (aerozoli). Oznacza to, że podczas zimy w Europie tylko około 25% danych z obserwacji nadaje się do wykorzystania.
Aby rozwiązać ten problem, obserwacje można uśredniać w dłuższych okresach (zwykle 10 dni), aby uzyskać co najmniej jeden lub dwa pomiary dla każdej lokalizacji w każdym średnim okresie. Jednak co najważniejsze, obserwacje satelity są proporcjonalne do zintegrowanej pionowo ilości zanieczyszczeń z ziemi i satelita obserwuje do 10 km wysokości (tropopauza). Obserwacje są więc różne od stężeń na powierzchni zmieni, również ze wglądu na emisje spowodowane działalnością człowieka. Uderzające jest to, że biorąc pod uwagę te ograniczenia, można było wykryć tak wyraźny spadek aktywności zanieczyszczeń. W całej Europie każdy kraj dokonuje wysokiej jakości obserwacji powierzchniowych, które gromadzi Europejska Agencja Ochrony Środowiska w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Obserwacje te mogą posłużyć w celu oceny realności sygnału wykrytego przez satelitę.

Jakie są plany Copernicus w zakresie monitorowania emisji zanieczyszczeń za pomocą satelitów?

W ramach programu Copernicus CAMS rozwija możliwość uzyskiwania danych o emisji przy użyciu zaawansowanych technik modelowania. Istotna w tym procesie będzie nowa generacja satelitów monitorujących zanieczyszczenia powietrza. Zostaną one wprowadzone na platformę geostacjonarną i będą zapewniały cogodzinne obserwacje wybranej części świata.
Cheollian 2B, satelita Koreańskiego Instytutu Badań Kosmicznych, który 18 lutego został wystrzelony na orbitę za pomocą rakiety Arianespace Ariane 5, jest wyposażona w GEMS (Geostationary Environment Monitoring Spectrometer), pierwszy tego rodzaju instrument. Przydatne pod względem naukowym dane dotyczące niektórych obszarów Azji powinny być dostępne pod koniec tego roku.
Podobne działania są planowane w USA (TEMPO) i Europie. W ramach programu Copernicus, Sentinel-4 na pokładzie Meteosat trzeciej generacji Eumetsat zostanie uruchomiony pod koniec 2022 lub w 2023 r. Sentinel-4 będzie podstawą działania planowanej usługi informacji o emisji zanieczyszczeń CAMS, która będzie obsługiwana przez ECMWF.