Миссия под руководством NASA по трехмерному картированию загрязнения воздуха над мегаполисами

Этим летом, когда дым от лесных пожаров окутывает обширные территории Северной Америки, а сезонный смог достигает пика, NASA и его партнеры развертывают несколько новых инструментов для наблюдения за качеством воздуха и загрязнением — от уровня улиц до стратосферы.

Запущенный на орбиту этой весной прибор TEMPO (Tropospheric Emissions: Monitoring of Pollution) — первый спутниковый инструмент, который будет измерять качество воздуха над Северной Америкой ежечасно (в дневное время) с разрешением в несколько квадратных миль. Его поле зрения простирается от Мехико до центральной Канады и от Атлантического до Тихого океана. Вскоре этот новейший инструмент NASA начнет передавать данные для научного использования.

Параллельно, примерно в 22 000 миль ниже, отдельная миссия NASA дополнит спутниковые измерения наземными наблюдениями. Летняя кампания 2023 года включает флот самолетов, передвижные лаборатории, метеозонды и сотни ученых, мобилизованных для отслеживания загрязнения в беспрецедентных деталях. Эта миссия, Synergistic TEMPO Air Quality Science (STAQS), изучает воздух в нескольких густонаселенных центрах Северной Америки: Нью-Йорке, Чикаго, Лос-Анджелесе и Торонто. Цель — картировать загрязнители от земли до верхней тропосферы, отслеживать их источники и почасовые изменения, а также выявлять районы с непропорционально высоким уровнем воздействия нездорового воздуха.

«Именно сочетание спутниковых, авиационных и наземных данных поможет ответить на фундаментальный вопрос: чем мы дышим? — сказал Барри Лефер, руководитель программы по составу тропосферы в штаб-квартире NASA в Вашингтоне. — Мы можем картировать неравенство, как никогда раньше».

Одним из ключевых загрязнителей, за которыми будут наблюдать команда STAQS и TEMPO, является диоксид азота (NO₂), обычно выбрасываемый выхлопными трубами и дымовыми трубами и являющийся ключевым компонентом приземного озона (смога). Миссии также будут измерять мелкодисперсные частицы, летучие органические соединения (например, формальдегид), а также метан и диоксид углерода — мощные парниковые газы, удерживающие тепло в атмосфере Земли.

NOAA возглавляет дополнительную полевую кампанию AEROMMA по изучению загрязнения воздуха этим летом. Сотрудничая с более чем 20 университетами, региональными консорциумами, властями штатов и местными органами власти, а также с NOAA, NASA и другими федеральными агентствами, ученые совместно работают над созданием «общенационального сообщества по качеству воздуха, которое сильнее суммы его частей», как отметил Лефер.

Качество воздуха улучшилось, но не везде

Улучшение качества воздуха — одна из великих историй успеха последних десятилетий, заявила Лора Джадд, заместитель руководителя программы по приложениям для здоровья и качества воздуха в Программе прикладных наук NASA. Благодаря регулированию значительно сократились выбросы вредного NO₂, а выбросы диоксида серы (причины кислотных дождей) упали настолько, что последний теперь сложно обнаружить с помощью спутниковых приборов. «Но проблема в том, что проблемы с плохим качеством воздуха становятся более локализованными», — отметила Джадд.

Например, в Чикаго команда STAQS будет отслеживать озон, скапливающийся вдоль береговой линии озера Мичиган, а также высокие уровни выхлопных газов грузовиков, воздействующие на районы вокруг крупных складов. Выявление таких диспропорций жизненно важно, поскольку превышение местного уровня загрязнения федеральных стандартов может усугублять легочные заболевания, такие как астма, эмфизема и хронический бронхит.

«Сконцентрированы ли локальные загрязнители вокруг аэропортов? Исходят ли они от работающих на холостом ходу транспортных средств возле складов? — сказала Джадд, возглавляющая авиационный компонент STAQS. — Люди, принимающие решения о качестве воздуха, которые влияют на сообщества, нуждаются в максимально точной информации».

Для обеспечения такого уровня точности ее команда развертывает два исследовательских самолета, оснащенных дистанционными датчиками, включая спектрометры, которые служат аналогом нового прибора TEMPO в космосе. «TEMPO на самолете» будет установлен на самолете Gulfstream-V, предоставленном Космическим центром NASA имени Джонсона, и будет совершать облеты целевых городов до трех раз в день. Цель — лучше понять, как такие факторы, как транспортные потоки и погода, влияют на качество воздуха в разное время суток. Это также поможет ученым оценить ранние данные, поступающие от «оригинала» на орбите Земли.

Понимание того, как качество воздуха меняется от часа к часу и от мили к миле, критически важно, потому что у каждого сообщества своя уникальная история, сказал Джон Салливан, возглавляющий наземные операции STAQS. Пока самолеты летают над головой, наземные группы будут использовать исследовательские прицепы, оснащенные современными датчиками.

«Вместе мы можем получить 3D-перспективу движения и смешения загрязнения воздуха в разных слоях атмосферы», — сказал Салливан, научный руководитель Сети лидаров тропосферного озона (TOLNet). Например, во время развертывания STAQS в Нью-Йорке наземные команды совместно отслеживали шлейф озона высотой 1,5 мили (2,4 км), перемещавшийся по ветру через пролив Лонг-Айленд и береговую линию Коннектикута в течение 8 часов.

Дистанционные инструменты, такие как TOLNet и Pandora (глобальная сеть сканирующих небо спектрометров), будут регулярно работать во время кампании STAQS, предоставляя «опорные точки» для наблюдений. Кроме того, многие приборы STAQS будут работать в районах, где уже есть оборудование для анализа следовых газов, управляемое национальными и местными агентствами по качеству воздуха. Сочетание различных инструментов и усилий по измерениям позволит ученым сравнивать и дополнять все наблюдения.

«В конечном счете, основными пользователями результатов STAQS и данных TEMPO будут государственные и местные агентства по качеству воздуха, которые фундаментально пытаются решить вопросы общественного здоровья и химического переноса загрязнителей воздуха, — сказал Салливан. — Мы хотим предоставить им данные, которые могут помочь ответить на эти вопросы».