Atmospheric pollution in Cherepovets according to remote sensing

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Изучение того, как информация дистанционного зондирования может дополнять или даже заменять данные, полученные с помощью наземных сетей контроля качества воздуха, представляет большой интерес. Это особенно актуально, поскольку спутниковые снимки могут предоставить региональную перспективу распределения загрязнения с течением времени и не ограничиваются определёнными географическими точками. Понимание основных закономерностей, возникающих в результате внедрения зон с низким уровнем загрязнения (Low Emission Zone), может быть особенно полезным в районах с высоким и постоянным загрязнением или с ограниченными сетями контроля качества воздуха.

А.Э. Морозова и соавт. [1] рассматривают уровень загрязнения атмосферного воздуха в пределах территории 20 крупнейших по численности городов России за 2019–2020 гг. Исходными данными исследования служат измерения TROPOMI (спутник Sentinel-5P) таких поллютантов, как оксид углерода, формальдегид, диоксид азота, диоксид серы и аэрозоли (индекс аэрозольного загрязнения). Измерения получены с помощью облачной платформы Google Earth Engine для геопространственного анализа данных, в которой представлены данные уровня L3, доступные для непосредственного анализа. Для интегральной оценки качества атмосферного воздуха разработан индекс TAQI. Авторы отмечают, что оценка уровня загрязнения атмосферы в городских условиях на основе интегральных индексов с использованием дистанционных данных (на примере TAQI) представляется перспективным подходом и может рассматриваться как важное информационное дополнение для существующих наземных измерительных систем в рамках реализации мультисенсорной парадигмы.

Группа исследователей [2] разработала физическую информационную модель глубокого обучения, которая объединяет традиционную модель атмосферного переноса химических веществ и модель глубокого обучения на основе данных. Модель использует данные наблюдений из нескольких источников загрязнения атмосферы. Точность и пространственное разрешение модели были улучшены по сравнению с исходной моделью Weather Research and Forecasting (WRF-CHEM) благодаря использованию наземных и спутниковых наблюдений. По сравнению с результатами WRF-CHEM, для модели увеличивается коэффициент корреляции для концентраций NO₂ с 0,56 до 0,80, а для концентраций озона — с 0,57 до 0,76. Авторы использовали независимый мониторинг MAXDOAS для валидации результатов измерений концентраций. В работе резюмируется, что при использовании спутникового дистанционного зондирования Земли можно получить пространственное распределение загрязняющих веществ. Благодаря объединению спутниковых данных с другими данными мониторинга и оптимизации модели повышается точность результатов измерений и устраняется мешающее влияние облаков.

B.A. Ababio и соавт. [3] оценивали годовые концентрации PM2.5, NO₂ и O₃ в окружающем воздухе 57 городов Ганы за два десятилетия с использованием исторических и прогнозируемых данных спутниковых измерений. Авторы анализировали качество городского воздуха, канцерогенные и неканцерогенные риски для здоровья населения. Результаты показали, что годовые медианные концентрации PM2.5 (50,79–67,97 мкг/м³) значительно превышают рекомендуемые Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) 5 мкг/м³. Концентрации тропосферного озона (72,21–92,58 мкг/м³) также превысили годовой стандарт ВОЗ в 60 мкг/м³. Кроме того, концентрации NO₂ (3,65–12,15 мкг/м³) превысили порог ВОЗ в 10 мкг/м³ во многих городах. Индексы опасности показали, что PM2,5 и O₃ представляют значительные неканцерогенные риски для здоровья.

Разработан индекс риска множественного загрязнения воздуха для CO, NO₂ и SO₂ на основе данных дистанционного зондирования Sentinel-5P с 2019 по 2020 г. [4]. Индекс разработан путём интеграции анализов опасности, уязвимости и воздействия. Анализ опасности учитывает данные о загрязнении воздуха, полученные с помощью дистанционного зондирования, анализ уязвимости — источники загрязнения воздуха, а анализ воздействия — плотность населения. Модель множественного риска учитывает веса, полученные из взаимосвязи между параметрами опасности и уязвимости. Самые высокие значения индекса риска загрязнения воздуха наблюдались в городских районах с высоким индексом воздействия, который возникает из-за загрязнения, вызванного деятельностью человека. Анализ множественного риска трёх загрязнителей воздуха показал, что Сингапур, Вьетнам и Филиппины имеют наибольший процент зон высокого риска, в то время как Индонезия — самую большую общую площадь высокого риска (4361 км²).

N.R. Rahimi и соавт. [5] оценивали риск для здоровья при вдыхании NO₂ и озона в различных сценариях и интерполяции пространственно-временного распределения. Данные были собраны в Тегеранском центре контроля качества воздуха, охватывающем 18 станций мониторинга с марта 2019 по февраль 2022 г. Оценки риска для здоровья (HRA) проводили для взрослых возрастных групп по трём различным сценариям воздействия (3, 8 и 12 ч). Значения индекса опасности (HI) для NO₂ и озона во всех трёх сценариях составили от 0,24 до 1,56 и от 0,04 до 0,49 соответственно. Результаты интерполяции озона, NOx и NO₂ с использованием подхода IDW с марта 2019 по февраль 2022 г. показали, что в целом на севере и северо-востоке Тегерана наблюдались самые высокие концентрации NO₂ и NOx, а на севере и западе — самые высокие концентрации озона. Подчёркивается, что из-за высокой плотности населения Тегерана и постоянного загрязнения воздуха крайне важно внедрить эффективную политику контроля для защиты общественного здоровья.

E. Dammers и соавт. [6] анализировали возможность применения метода многоисточникового шлейфа (MSPM) для оценки выбросов NOx над Германией в период COVID-19 с 2019 по 2021 г. Авторы отмечают, что различия между спутниковыми оценками и общими данными инвентаризации составляли 75–100 кт (NO₂) NOx (<10 % от значений инвентаризации). Значительное сокращение выбросов NOx (~15%) одновременно с карантином из-за COVID-19 наблюдалось как в инвентарных, так и в спутниковых выбросах. Исследование иллюстрирует ценность наличия последовательной спутниковой методологии для более быстрой оценки выбросов, чтобы корректировать традиционную отчётность по инвентаризации выбросов. Метод также отвечает требованию независимой проверки официальных инвентаризаций выбросов, что позволит составителям инвентаризации выявлять потенциально проблемные вопросы отчётности, укрепляя прозрачность и сопоставимость, которые являются двумя ключевыми ценностями для отчётности по выбросам.

Цель исследования. Оценка загрязнения атмосферного воздуха Череповца на основании спутниковых данных Sentinel-5P и их сопоставление с данными наземного мониторинга.

МЕТОДЫ

В качестве объекта изучения определили Череповец. В 2023 г. он оказался в перечне 33 городов, где уровень загрязнения атмосферного воздуха характеризовался значением индекса загрязнённости атмосферы, превышающим или равным 14. Общая численность населения этих городов составляет 10,1 млн человек¹. Согласно информации Росгидромета, главными загрязнителями в данном городе являются марганец, фенол, взвешенные вещества, бенз(а)пирены и диоксид азота.Череповец представляет собой важный индустриальный центр в регионе, где промышленность базируется на металлургии и химическом производстве. Здесь работают такие крупные предприятия, как Череповецкий металлургический комбинат и производитель минеральных удобрений «ФосАгро»².

Для работы применяли данные спутникового мониторинга, поступающие со спутника Sentinel-5P³. Запуск спутников этой серии обеспечивает Европейское космическое агентство в рамках программы Европейского союза Copernicus⁴. Ключевым инструментом спутника выступает сенсор Tropomi⁵, предназначенный для обнаружения различных веществ в атмосфере, таких как формальдегид, диоксид азота, озон, диоксид серы, метан, оксид углерода и аэрозоли. Разными исследованиями показано, что измерения атмосферного столба, полученные с помощью TROPOMI, демонстрируют сильную корреляцию с наземными результатами мониторинга атмосферного воздуха, особенно в городских условиях [7–9]. Аналогичные выводы можно найти в работе, связанной с исследованием качества воздуха Мадрида [10].

Для выполнения расчётов с использованием геопространственных данных и при оценке рисков здоровью населения написано приложение на языке JavaScript в облачной среде Google Earth Engine⁶. Конвертацию концентрации загрязнителя атмосферного воздуха из единиц измерения по данным спутникового мониторинга моль/м² в мг/м³ осуществляли по формуле:

$C=\frac{\sigma ·M·1000}{H}$, (1)

где С — концентрация вещества, мг/м³; σ — столбцовая концентрация вещества, моль/м²; М — молярная масса вещества, г/моль; Н — атмосферного столба, м.

Для проверки адекватности определяемых с помощью спутникового мониторинга концентраций загрязнителей атмосферного воздуха использовали концентрации, получаемые с помощью постов наземного наблюдения в Череповце. ПАО «Северсталь» в рамках политики экологической открытости с осени 2024 г. выводит данные созданной сети мониторинга качества атмосферного воздуха в Череповце на общедоступную online-платформу⁷. Станции обеспечивают непрерывное наблюдение за качеством воздуха (измерения осуществляются каждый час) по основным загрязняющим веществам: оксид углерода, диоксид азота, диоксид серы, сероводород, а также за взвешенными частицами РМ2,5, РМ10,0. В районах города размещены 6 постов (пост № 1 — район ДКС, пост № 2 — Привокзальный сквер, пост № 3 — стадион «Металлург», пост № 4 — район химико-технологического колледжа, пост № 5 — СОШ № 7, пост № 6 — аквапарк «Радужный»).

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате выполненного анализа спутниковых данных Sentinel-5P с использованием программного обеспечения в среде Google Earth Engine получены цифровые карты концентраций диоксида азота, диоксида серы, озона, метана в атмосферном воздухе Череповца. Цифровые карты загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота и диоксидом серы приведены на 30 марта 2025 г. на рис. 1.

 

Рис. 1. Цифровая карта концентрации диоксида азота (а) и диоксида серы (b) по данным спутника Sentinel-5P в районе Череповца (30.03.2025). Точками обозначены станции наземного мониторинга: 1 — пост № 1 (район ДКС), 2 — пост № 2 (Привокзальный сквер), 3 — пост № 3 (стадион Металлург), 4 — пост № 4 (район химико-технологического колледжа), 5 — пост № 5 (СОШ № 7), 6 — пост № 6 (аквапарк «Радужный»).

Fig. 1. Digital map of nitrogen dioxide (а) and sulfur dioxide (b) levels in Cherepovets according to Sentinel-5P satellite data (as of March 30, 2025). Dots indicate Earth-based monitoring stations: 1, station No. 1 (Stroitel Community Center); 2, station No. 2 (Privokzalny Square); 3, station No. 3 (Metallurg Stadium); 4, station No. 4 (Chemical Engineering College); 5, station No. 5 (Secondary School No. 7); 6, station No. 6 (Raduzhny Waterpark).

 

Для сопоставления концентраций диоксида азота и серы в атмосферном воздухе Череповца, полученных по данным спутникового мониторинга, использовали данные открытого сервиса наземного мониторинга качества атмосферного воздуха в Череповце, предоставляемого ПАО «Северсталь». Значения концентраций диоксида азота и диоксида серы, полученные путём наземного и спутникового мониторинга для шести постов наблюдения, приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Значения концентраций диоксида азота (а) и диоксида серы (б), полученные путём наземного и спутникового мониторинга (30.03.2025).

Fig. 2. Nitrogen dioxide (a) and sulfur dioxide (b) levels according to Earth-based and satellite monitoring (as of March 30, 2025).

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Цифровые карты концентраций загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота и диоксидом серы по данным спутника Sentinel-5P в районе Череповца за 30 марта 2025 г. (см. рис. 1), позволяют заключить, что основная часть воздушного пространства города подвержена интенсивному воздействию загрязнителей. По диоксиду азота в атмосферном воздухе наблюдаются концентрации свыше 4,0·10⁻⁴ мг/м³, а по диоксиду серы — свыше 8,6·10⁻⁴ мг/м³. Исключением является Зашекснинский район города, где концентрации диоксида азота составляют менее 3,5·10⁻⁴ мг/м³, а диоксида серы менее 8,6·10⁻⁴ мг/м³. По состоянию на 30 марта 2025 г. в Череповце наблюдалось юго-западное направление ветра, поэтому зона загрязнения атмосферного воздуха рассматриваемыми поллютантами сдвигается на северо-восток от города, в сторону населённых пунктов Солманское, Тоншалово.

Заключительным этапом исследования является сопоставление концентраций диоксида азота и серы, полученных наземным и спутниковым мониторингом (см. рис. 2). Возможные причины расхождений данных спутникового и наземного мониторинга могут объяснятся тем, что спутниковые данные представляют собой усреднённые значения для ячеек размером 7 км², в то время как наземные станции фиксируют концентрацию загрязняющих веществ в конкретной точке, что особенно важно для промышленных зон, в которых уровни загрязнения могут сильно меняться на небольших расстояниях из-за локальных выбросов. Примечательными являются различия в концентрациях NO₂, измеренных при спутниковых наблюдениях и наземном мониторинге (см. рис. 2а). При спутниковом мониторинге в ходе построения цифровых карт загрязнения атмосферного воздуха мы использовали профили столбцовой концентрации вещества (моль/м²). Столбцовая концентрация изменяется по высоте атмосферного столба. В слое атмосферы у поверхности земли она максимальная, а при подъёме над поверхностью земли значение столбцовой концентрации вещества в атмосферном воздухе уменьшается. В расчётах принимали среднее значение по всей высоте атмосферного столба. Высота источника выброса загрязнителей атмосферного воздуха также может вносить определённый вклад. Это, в частности, определяет различие между данными концентраций спутникового наблюдения и наземного мониторинга диоксида азота и серы. Выбросы диоксида азота в атмосферный воздух определяются в большей степени наземным транспортом, что и фиксируется по максимуму постами наблюдения, расположенными у поверхности земли. При спутниковом наблюдении эта концентрация усредняется по высоте атмосферного столба и даёт меньшие значения. Выбросы диоксида серы в атмосферный воздух дают в основном промышленные объекты, которые осуществляют выброс через трубы на определённой высоте от поверхности земли (10–50 м). При выбросе происходит диффузионное рассеяние загрязнителя в атмосферном воздухе, и температура выбрасываемой смеси, температура окружающего воздуха, высота источника выброса определяют то, как будет распределяться загрязнитель в атмосферном воздухе. Это наглядно демонстрируют данные измерения на постах концентрации SO₂. На посту № 4 наблюдаются максимальные значения концентраций. Это определяется метеоусловиями на момент измерения концентрации диоксида серы: направление ветра юго-западное. Данный пост как раз располагается в северо-восточной части города от ПАО «Северсталь», что и определяет максимальные концентрации для этого поста наблюдения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ спутникового и наземного мониторингов позволил выявить сильные и слабые стороны каждого метода. Спутниковый мониторинг охватывает большие территории, включая труднодоступные зоны, но имеет низкое пространственное разрешение, зависит от погоды и имеет временны́е лаги, что может приводить к занижению локальных пиков загрязнения. Наземный же мониторинг обеспечивает высокую точность измерений в конкретных точках и непрерывный сбор данных, но имеет ограниченный охват и высокую стоимость, что затрудняет мониторинг в удалённых районах. Совместное использование методов позволит повысить точность спутниковых данных благодаря их калибровке с помощью наземных измерений, а также оперативно выявлять источники выбросов, заполняя пробелы наземного мониторинга. Комбинированный подход позволит более эффективно использовать преимущества обоих методов и скомпенсирует их недостатки.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. С.А. Царева — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; Е.Г. Лилеева — анализ данных, подготовка и написание текста статьи; Ю.В. Царев — написание кода программного обеспечения на языке JavaScript в среде Google Earth Engine, анализ геопространственных данных; Н.С. Дыбулина — подготовка и написание текста статьи; С.Ф. Велиметова — сбор и анализ литературных источников. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо, т.к. проводилась оценка загрязнения атмосферного воздуха на основании спутниковых данных и наземного мониторинга.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Благодарность. Авторы выражают признательность компании ПАО «Северсталь» за предоставленные данные наземного мониторинга критериальных загрязнителей атмосферного воздуха Череповца, Европейскому космическому агентству за предоставленные данные спутника Sentinel-5P, компании Google за предоставленный облачный сервис Google Earth Engine.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: S.A. Tsareva: investigation, formal analysis, writing—original draft, writing—review & editing; E.G. Lileeva: formal analysis, writing—original draft; Yu.V. Tsarev: software, formal analysis; N.S. Dybulina: writing—original draft; S.F. Velimetova: investigation, formal analysis. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Ethics approval: Not applicable, because an assessment of atmospheric air pollution was carried out based on satellite data and ground-based monitoring.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously published material (text, images, or data) was used in this work.

Data availability statement: The editorial policy regarding data sharing does not apply to this work, as no new data was collected or created.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer-review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review process involved two external reviewers, a member of the editorial board, and the in-house science editor.

Acknowledgments: The authors express their gratitude to Severstal for providing access to Earth-based monitoring data on atmospheric pollution by criteria pollutants in Cherepovets; the European Space Agency for providing access to Sentinel-5P satellite data; and Google for providing access to Google Earth Engine.

 

¹ Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2023 году». Режим доступа: https://2023.ecology-gosdoklad.ru/doklad/atmosfernyy-vozduh/kachestvo-atmosfernogo-vozduha/ Дата обращения: 12.04.2025.

² Промышленность города. Череповец: МКУ ИМА «Череповец». 2003-. Режим доступа: https://cherinfo.ru/32 Дата обращения: 12.04.2025.

³ Sentinel-5P. European Space Agency. Режим доступа: https://sentinels.copernicus.eu/copernicus/sentinel-5p Дата обращения: 12.04.2025.

⁴ Copernicus. Europe's eyes on earth. Looking at our planet and its environment for the benefit of Europe’s citizens. European Space Agency. Режим доступа: https://www.copernicus.eu/en Дата обращения: 12.04.2025.

⁵ TROPOMI monitors trace gases and aerosols relevant for air quality and climate. European Space Agency. Режим доступа: https://www.tropomi.eu/ Дата обращения: 12.04.2025.

⁶ Google Earth Engine. A planetary-scale platform for Earth science data & analysis. Google. Режим доступа: https://earthengine.google.com Дата обращения: 12.04.2025.

⁷ Мониторинг качества воздуха в Череповце. Череповец: ПАО «Северсталь». 2024-. Режим доступа: https://severstal.com/rus/eco-monitoring/#_blank Дата обращения: 12.04.2025.

About the authors

Sophia A. Tsareva

Yaroslavl State Technical University; Yaroslavl State Medical University

Author for correspondence.
Email: zarew@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-2099-4885
SPIN-code: 5279-4175
Scopus Author ID: 9038734600

Cand. Sci. (Chemistry), Associate Professor

Russian Federation, Yaroslavl; Yaroslavl

Elena G. Lileeva

Yaroslavl State Medical University

Email: elileeva2006@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6048-8974
SPIN-code: 4287-6652

MD, Cand. Sci. (Medicine), Associate Professor

Russian Federation, Yaroslavl

Yuri V. Tsarev

Yaroslavl State Technical University

Email: tsarevyv@ystu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4337-2897
SPIN-code: 7991-3530

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, Yaroslavl

Nataliya S. Dybulina

Yaroslavl State Technical University

Email: dybulinans@gmail.com
ORCID iD: 0009-0006-4139-639X
SPIN-code: 2758-5320
Russian Federation, Yaroslavl

Sabrina F. Velimetova

Yaroslavl State Technical University

Email: sabrinavelimetova@icloud.com
ORCID iD: 0009-0007-7891-2682
Russian Federation, Yaroslavl

References

Supplementary files