Оценка состояния экосистемы на основе данных дистанционного зондирования атмосферы

В рамках проведенных исследований рассмотрена проблема прогнозирования изменения экосистемы на основе дистанционного зондирования газового состава атмосферы. Актуальность выбранной темы состоит в том, что диоксид серы (SO 2 ) – сильнейший загрязнитель атмосферного воздуха, который негативно влияет на окружающую среду. Мощные или постоянные выбросы SO₂ приводят к деградации экосистемы. Соединения серы выбрасываются в атмосферу при сжигании угольного топлива, нефти, природного газа, а также при выплавке цветных металлов и производстве серной кислоты. Серный ангидрид образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, вызывает различные заболевания у человека.

Известно, что мощные выбросы SO 2 могут приводить к возникновению кислотных дождей и климатическим изменениям. Так, например, в результате извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г. в атмосферу было выброшено 20 млн тонн диоксида серы, что оказало мощное влияние на состояние озонового слоя. Менее крупные выбросы SO 2 ведут к локальным изменениям экосистемы, а регулярные эмиссии SO 2 могут привести к полной перемене облика природно-территориального комплекса, гибели популяций животного и растительного мира (вплоть до полного уничтожения биоценоза на определенной территории). Кроме того, именно выбросы диоксида серы представляют наибольший интерес с точки зрения глобального влияния на климат через образование долгоживущего сульфатного аэрозоля в стратосфере.

Актуальность работы обусловлена также тем, что дистанционные спутниковые методы контроля открывают новые возможности в изучении газового состава атмосферы и его динамики, мониторинга окружающей среды, прогнозирования техногенных и природных чрезвычайных ситуаций, связанных с поступлением загрязняющих веществ в атмосферу, а также упрощают изучение климатических изменений. Дистанционные методы позволяют исследовать экосистемы, подверженные воздействию выбросов загрязняющих веществ антропогенного и природного происхождения, а также рационально и оперативно реагировать на эти изменения. Эти методы дают возможность экономически целесообразно получать необходимые данные для наблюдения, изучения и отслеживания состава атмосферы.

В настоящее время, для решения задач мониторинга содержания и концентраций диоксида серы в атмосферном воздухе используются инструменты SCIAMACHY (на борту спутника ENVISAT) и OMI (на борту спутника AURA). Наиболее предпочтительными являются данные, получаемые инструментом OMI (Ozone Monitoring Instrument). Метод оценки концентрации диоксида серы основан на измерении спектральных характеристик света, рассеянного в атмосфере [1]. Сравнение спектральной интенсивности исходного и рассеянного в атмосфере «назад» излучения в ультрафиолетовом диапазоне даёт информацию о распределении и концентрации примесей диоксида серы, так как этот газ поглощает часть приходящего солнечного излучения. В результате обработки данных наблюдений OMI определяется концентрация диоксида серы на четырёх высотах над уровнем моря: 0,9 км, 2,5 км, 7,5 км и 17 км. Для измерения концентрации диоксида серы используются единица Добсона (е.Д. или DU ). Одна е.Д . равна 0,01 мм толщины осажденного слоя диоксида серы при 0° С и атмосферном давлении 1013 ГПа, что составляет 2,69х10²⁰ молекул диоксида серы на квадратный метр. Типичное фоновое значение концентрации SO 2 в атмосфере составляет менее 1 е.Д. Погрешность оценки содержания диоксида серы прибором OMI равна ~ 1 е.Д.

OMI представляет собой направленный в надир спектрометр, предназначенный для регистрации солнечного излучения, отраженного атмосферой и поверхностью Земли, в диапазоне от 270 до 500 нм со спектральным разрешением порядка 0,5 нм. Ширина снимаемой полосы поверхности при угле обзора камеры в 114°, составляет порядка 2600 км, что позволяет вести измерения в глобальных масштабах. В нормальном режиме работы OMI (предназначенном для съемки в глобальных масштабах), размер пикселя (при съемке в направлении надира) составляет 13×24 км вдоль и поперек полосы съемки соответственно. Пространственное разрешение можно увеличить, уменьшив размер пикселя до 13×12 км. Уменьшение размера пикселя позволяет вести наблюдения сквозь просветы в облачном покрове, что является важным при наблюдениях за состоянием тропосферы [2–3].

OMI является результатом дальнейшего развития разработанных в европейском космическом агентстве (ЕСА) инструментов GOME и SCIAMACHY, на которых отработана технология измерений с высоким спектральным разрешением, ведущихся в широкой полосе спектра, включающей одновременно видимый, УФ- и ИК-диапазоны, что, например, позволяло получать данные о наличии сразу нескольких незначительных газовых примесей («следовых» количеств) по данным одного измерения. Предшественником OMI является его американский аналог TOMS, разработанный NASA. Он использовал 6 спектральных диапазонов, позволяющих замерять количество озона в атмосферном столбе. Преимущество TOMS состояло в относительно небольшом разрешении 50×50 км в сочетании с возможностью ежесуточных глобальных наблюдений.

Прибор OMI измеряет поток рассеянного «назад» ультрафиолетового солнечного излучения I m . Для оценки содержания диоксида серы используется два спектральных канала. В одном из них наблюдается сильное поглощение, а во втором – слабое. Спектр поглощения диоксида серы в УФ-диапазоне приведен на рис. 1.

Рис. 1. Спектр поглощения SO2 в ультрафиолетовом диапазоне длин волн

В УФ диапазоне, кроме диоксида серы, поглотителем электромагнитного излучения является озон. Для оценки общего содержания озона также используется несколько спектральных каналов. Алгоритм восстановления содержания SO 2 в атмосфере основан на использовании вертикальных модельных профилей озона и диоксида серы. Решается обратная задача. Путем варьирования модели минимизируется средний квадрат разности между измеренными и модельными параметрами [1].

Используемая в работе база данных космического мониторинга OMI по выбросам в атмосферу диоксида серы в районе г. Норильска, имеет вид текстовой таб- лицы за период с 2004 по 2012 гг., всего 156 167 строк [3]. Ниже приведен фрагмент этой таблицы (табл. 1).

На рис. 2 представлен пример визуализации данных о концентрации диоксида серы по измерениям OMI с сайта NASA за 2 мая 2011 г. [3]. Можно видеть, что концентрация в районе Норильска существенно повышена. При этом максимальный уровень зарегистрирован в точке с координатами 69,26° северной широты, 86,98° восточной долготы и составляет 5,32 е.Д., что соответствует более чем пятикратному превышению фонового уровня. Двукратное превышение концентрации соответствует участку общей площадью около 7000 км2, ограниченной пределами по широте 68,5°–69,6° северной широты, по долготе 84°–88° восточной долготы.

В течение суток 02.05.2011 г. выбросы диоксида серы составили около 1000 тонн, площадь поражения при этом 16 000 км², что сравнимо с выбросами при извержении вулкана Безымянный 14 октября 2007 г., длившегося двое суток, когда выбросы SO 2 составили 3000 тонн. Анализируя данные о выбросах диоксида серы за июль 2011 г. (рис. 3), можно сделать вывод, что в течение месяца концентрация SO 2 не превышала фонового значения, кроме 27.07.2011 г., когда наблюдается двукратное превышение выбросов SO₂ на площади в 1 000 км². Максимальное значение концентрации диоксида серы в 2,37 е.Д. регистрировалось в точке с координатами: 69,32° северной широты и 86,15° восточной долготы. В течение этого дня общее количество выбросов диоксида серы составило 260 тонн, площадь поражения при этом составила 6 633 км².

Таблица 1

Фрагмент базы данных OMI

Дата	С. (UTС)	Широта	Долгота	SO2 _0,9км	SO2_2,5км	SO2_7,5км	SO2_17км
01102004	10468	68,98	88,93	4,281	0,813	0,18	0,073
01102004	10470	69,01	88,61	5,12	7,724	1,804	0,767
01102004	10472	69,05	88,28	2,674	6,496	1,377	0,57

Примечание. SO₂_0,9 км – концентрация SO₂ на высоте 0,9 км в е.Д., SO₂_2,5 км – концентрация SO₂ на высоте 2,5 км в е.Д., SO₂_7,5 км – концентрация SO₂ на высоте 7,5 км в е.Д., SO₂_17 км – концентрация SO₂ на высоте 17 км в е.Д.

Рис. 2. Визуализация данных SO 2 за 02.05.2011, общая масса SO 2 1000 тонн, максимум SO 2 5,32 е.Д. на 69,26º северной широты, 86,98º восточной долготы

а

б

в

Рис. 3. Визуализация данных SO 2 за 01.07.2011, 23.07.2011 и 27.07.2011:

а – 01.07.2011, общая масса SO 2 15 тонн, максимум SO 2 1,39 е.Д. на 69,26º северной широты, 86,27 º восточной долготы;

б – 23.07.2011, общая масса SO 2 5 тонн, максимум SO 2 1,50 е.Д. на 70,28º северной широты, 96,14 º восточной долготы;

в – 27.07.2011, общая масса SO₂ 261 тонн, максимум SO₂ 2,37 е.Д. на 69,32º северной широты, 86,15º восточной долготы

В ходе исследований произведен анализ экологического риска загрязнения диоксидом серы Норильского промышленного района, эти данные сопоставлены с уровнем заболеваемости, характерным для указанной территории. Экологический риск – количественная или качественная оценка экологической опасности неблагоприятных воздействий на природную среду [4]. Экологический риск рассматривается как вероятность возникновения неблагоприятных ситуаций в состоянии природной среды, разрушения экосистем или гибели популяций и отдельных видов под воздействием хозяйственной деятельности человека. Наиболее разработаны два направления оценки рисков: первое – связано с оценкой возможности потери жизни или причинения ущерба здоровью населения [4], второе – с определением среднего риска ущерба, причиняемого выбросом загрязнений в атмосферу.

Постоянное присутствие в окружающей среде диоксида серы создает определенную степень экологического риска. Принято рассматривать три уровня экологического риска: пренебрежимый, приемлемый, неприемлемый, с учетом которых на исследуемых территориях могут быть выделены зоны пренебрежи-мого, приемлемого и неприемлемого рисков. Важным вопросом при этом является определение значений концентраций загрязняющих веществ, соответствующих разным уровням риска.

Уровень загрязнения атмосферы в долях ПДК (предельно допустимая концентрация), соответствующий зоне неприемлемого риска, устанавливается на основе данных и методических материалов [5]. Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе рассчитываются согласно ГОСТ 17.2.3.01–86 «Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных мест». Степень загрязнения воздуха рассчитывается с учетом кратности превышения среднегодового значения ПДК веществ, их класса опасности, допустимой повторяемости концентраций заданного уровня, массы веществ, одновременно присутствующих в воздухе. Среднегодовые значения ПДК с/г . связаны со среднесуточным значением ПДК с/с соотношением:

ПДК с/г = а ПДК с/с                (1)

где a – коэффициент, значение которого определяется в интервале 0,1–1,0 в зависимости от класса опасности вещества.

Зоной неприемлемого риска будем рассматривать участок территории, в пределах которого значение комплексного показателя среднегодового загрязнения атмосферного воздуха Р соответствует уровню чрезвычайной экологической ситуации [5] и выбирается равным 8. Переходя (согласно (1)) к среднесуточным значениям ПДК_с/с для выбросов сажи, получим соотношение:

8*ПДК с/г = 8*(0,3* ПДК с/c ) = 2,4 ПДК с/с; , из которого следует что, границей зоны неприемлемого риска можно принять уровень загрязнения атмосферного воздуха, равный 2,4 ПДК с/с для сажи, выбрасываемой в атмосферу из газовых факелов.

Приемлемым, принимается уровень риска, с которым общество может смириться из-за отсутствия у него необходимых материальных ресурсов для осуществления в полном объеме защитных мероприятий. Зоной вышеописанного риска считают территорию с уровнем загрязнения атмосферы от 2,4 ПДК до 1 ПДК. За пределами этой территории – пренебрежи-мый уровень риска. Результаты расчетов для Норильского промышленного района отображены на рис. 4.

| Неприемлемый уровень риска Приемлемый уровень риска 11ренебрежимый уровень риска

Рис. 4. Карта значений экологического риска для Норильской промышленной зоны

а                                        б

Рис. 5. Заболеваемость с 2006 по 2011 года:

а – мочекаменная болезнь; б – злокачественные новообразования мочевыводящих путей

Анализ результатов исследования указывает на то, что территория в районе комбината находится в зоне неприемлемого уровня экологического риска. Высокие же показатели заболеваемости в городе Норильск являются косвенным подтверждением этих выводов (этот показатель по сравнению с Таймырским автономным округом выше на ~ 40 %).

Характерное для Норильска наличие токсичного смога при любом направлении ветра регистрируется спутниковым методом дистанционного зондирования атмосферы. Выделены «мишени» негативного влияния на здоровье людей производственной деятельности ГМК «Норильский никель»:

– высокий процент заболеваемости дыхательных путей;

– рост уровня мочекаменной болезни (рис. 5);

– увеличение числа онкологических заболеваний;

– повышение количества бесплодных браков;

– возникновение профессиональных заболеваний.

За период с 2006 по 2011 г. отмечено повышение уровня заболеваемости на 22,7 % по мочекаменной болезни, что отражено на рис. 5. Статистический анализ онкоурологической заболеваемости повторяет вышеописанную картину (отмечено увеличение обращаемости с этим видом заболеваний на 13 %). Возможно, это связано с неприемлемым уровнем экологического риска для Норильской промышленной зоны.

Выводы. В рамках исследования произведена оценка состояния экосистемы на основе данных спутникового метода мониторинга окружающей среды. Построена карта значений экологического риска для Норильской промышленной зоны, ограниченной координатами 67–70º северной широты, 87º–90º восточной долготы. Выявлено, что территория вблизи Норильска, характеризуется неприемлемым уровнем экологического риска. Повышенные значения концентрации диоксида серы в атмосфере отрицительно сказывается на здоровье населения. Это приводит к повышению общего уровня заболеваемости на исследуемой территории.

Таким образом, спутниковые методы контроля атмосферы должны стать неотъемлемой частью системы мониторинга крупных промышленных объектов. Анализ данных независимого спутникового мониторинга позволяет контолировать состав атмосферы, выявлять повышенные концентрации загрязняющих веществ на различных высотах за короткий промежуток времени. Все это открывает новые возможности в прогнозировании и определлении причин различного рода заболеваний, характерных для исследуемой территории.