ASSESSMENT OF POPULATION HEALTH RISK FROM AIR POLLUTION IN CHEREPOVETS BASED ON EARTH REMOTE SENSING DATA

全文:

Введение

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 определенными географическими точками. Понимание основных закономерностей, возникающих в результате внедрения зон с низким уровнем загрязнения (Low Emission Zone - LEZ), может быть особенно полезным в районах с высоким и постоянным загрязнением или с ограниченными сетями контроля качества воздуха.

Авторы публикации [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 0,8, а для концентраций озона с 0,57 до 0,76. Авторы использовали независимый мониторинг MAXDOAS для валидации результатов измерений концентраций. В работе резюмируется, что используя спутниковое дистанционное зондирование Земли можно получить пространственное распределение загрязняющих веществ. Благодаря объединению спутниковых данных с другими данными мониторинга, оптимизации модели повышается точность результатов измерений и устраняется мешающее влияние облаков.

В работе [3] оценивались 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 оценивали 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 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.

Авторы [4] разработали индекс риска множественного загрязнения воздуха для CO, NO₂ и SO₂ на основе данных дистанционного зондирования Sentinel-5P с 2019 по 2020 год. Индекс риска был разработан путем интеграции анализов опасности, уязвимости и воздействия. Анализ опасности учитывает данные о загрязнении воздуха, полученные с помощью дистанционного зондирования, анализ уязвимости учитывает источники загрязнения воздуха, а анализ воздействия учитывает 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 трех загрязнителей воздуха показал, что Сингапур, Вьетнам и Филиппины имеют наибольший процент зон высокого риска, в то время как Индонезия имеет самую большую общую площадь высокого риска (4361 км²).

Авторы исследования [5] оценивали риск для здоровья при вдыхании NO₂ и озона в различных сценариях и интерполяция пространственно-временного распределения. Данные были собраны в Тегеранском центре контроля качества воздуха, охватывающем 18 станций мониторинга с марта 2019 года по февраль 2022 года. Оценки риска для здоровья (HRA) проводились для взрослых возрастных групп по трем различным сценариям воздействия (3, 8 и 12 часов). Значения индекса опасности (HI) для NO₂ и озона во всех трех 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 года по февраль 2022 года 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. Авторами подчеркивается, что из-за высокой плотности населения Тегерана и постоянного загрязнения воздуха, крайне важно внедрить эффективную политику контроля для защиты общественного здоровья.

Группа исследователей [6] анализировала возможность применения метода многоисточникового шлейфа (MSPM) для оценки выбросов NOx над Германией в период COVID-19 с 2019 по 2021 год. 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 отчетность по инвентаризации выбросов. Метод также отвечает требованию независимой проверки официальных инвентаризаций выбросов, что позволит составителям инвентаризации выявлять потенциально проблемные вопросы отчетности, укрепляя прозрачность и сопоставимость, которые являются двумя ключевыми ценностями для отчетности по выбросам.

 

Цель

Цель данной исследовательской работы заключалась в оценке риска здоровью населения в результате загрязнения атмосферного воздуха г. Череповец. Для расчета риска использовались концентрации оксида азота и серы в атмосферном воздухе, полученные по данным спутника Sentinel-5P. Оценка риска выполнялась в согласии с руководством Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Р 2.1.10.3968-23.

Материалы и Методы

В качестве объекта изучения мы определили город Череповец. В 2023 году он оказался в перечне 33 городов, где уровень загрязнения атмосферного воздуха характеризовался значением ИЗА, превышающим или равным 14. Общая численность населения этих городов составляет 10,1 миллиона человек¹. Согласно информации Росгидромета, главными загрязнителями в данном городе являются марганец, фенол, взвешенные вещества, бенз(а)пирены и диоксид азота (NO₂).Череповец представляет собой важный индустриальный центр в регионе, чья промышленность базируется на металлургии и химическом производстве. Здесь работают такие крупные предприятия, как Череповецкий металлургический комбинат и производитель минеральных удобрений «ФосАгро»².

Для работы мы 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 (SO₂), метан, оксид углерода (CO) и аэрозоли. Разными исследованиями было показано, что измерения атмосферного столба, полученные с помощью TROPOMI, демонстрируют сильную корреляцию с наземными результатами мониторинга атмосферного воздуха, особенно для городских условиях [7- 9]. Аналогичные выводы можно найти в работе, связанной с исследованием качества воздуха г. Мадрид[10].

Для выполнения расчетов с использованием геопространственных данных и оценке рисков здоровью населения нами было написано приложение на языке JavaScript в облачной среде Google Earth Engine⁶. Конвертация концентрации загрязнителя атмосферного воздуха из единиц измерения по данным спутникового мониторинга моль/  в мг/  осуществлялось по формуле:

 

где  – концентрация вещества, мг/м³;  столбцовая концентрация вещества, моль/м²;  молярная масса вещества, г/моль;  – высота атмосферного столба, м.

Для расчета риска здоровью населению в данной работе было использовано Руководство⁷, которое утверждено руководителем Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации Поповой А.Ю. в сентябре 2023 г.. Приоритетным сценарием маршрута воздействия веществ, находящихся в атмосферном воздухе принимался ингаляционный. В силу специфики спутникового мониторинга веществ загрязнителей атмосферы Sentinel-5P данные о концентрациях были получены раз в сутки. Характеристика риска развития неканцерогенных эффектов при комбинированном и комплексном воздействии химических соединений проводился на основе расчета индекса опасности (HI). Индекс опасности (HI) для условий одновременного поступления нескольких веществ одним и тем же путем (в нашем случае  ингаляционным) рассчитывался для веществ, характеризующихся воздействием на одинаковые критические органы и системы, по формуле:

HI_k = Σ HQ_i   (2)

где HI_k - индекс опасности развития нарушения функций k-ых критических органов и систем. В нашем случае мы оценивали индекс опасности по влиянию на органы дыхания. HQ_i - коэффициенты опасности для отдельных j-ых компонентов смеси веществ, воздействующих на критические органы и системы k. Нам и были выбраны концентрации веществ, которые были доступны при спутниковом мониторинге: оксид азота (II), оксид серы (IV).

Коэффициент опасности развития неканцерогенных эффектов (HQ) для отдельных веществ рассчитывался по формуле:

HQ = C / RfC   (3)

где С - концентрация вещества в воздухе по данным спутникового мониторинга (мг/м³); RfC – референтная концентрация вещества при хронических ингаляционных воздействиях по данным таблицы П1.3 приложения Руководства (мг/м³). Исходные данные веществ для расчета неканцерогенного риска приведены в табл. 1.

Рассчитанные значения риска здоровью при хронических ингаляционных воздействиях ранжировались в соответствии с табл. 2.

Для проверки адекватности определяемых с помощью спутникового мониторинга концентраций загрязнителей атмосферного воздуха мы использовали концентрации, получаемые с помощью постов наземного наблюдения в г. Череповец. ПАО «Северсталь» в рамках политики экологической открытости с осени 2024 года выводит данные созданной сети мониторинга качества атмосферного воздуха в Череповце на общедоступную online – платформе⁸. 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 РМ 2,5, РМ 10,0. В районах города размещены 6 постов (пост № 1 в районе ДКС, пост № 2 Привокзальный сквер, пост № 3 стадион «Металлург», пост № 4 в районе 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 были получены цифровые карты концентраций диоксида азота, диоксида серы, озона, метана в атмосферном воздухе г. Череповец. Цифровые карты загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота и диоксидом серы приведены для 30 апреля 2025 года на рис. 1а и 1б соответственно.

На основе цифровых карт загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота и диоксидом серы с помощью разработанного программного обеспечения в среде Google Earth Engine были построены цифровые карты риска здоровью населению при хроническом ингаляционном воздействии диоксида серы и диоксида азота с атмосферным воздухом по данным спутника Sentinel-5P в районе г. Череповец для 30 апреля 2025 года. Результаты представлены на рис. 2а и 2б.

С учетом того, что для диоксида серы и диоксида азота критическими органами воздействия являются органы дыхания, то на основании цифровых карт риска здоровью населению при хроническом ингаляционном воздействии с атмосферным воздухом был рассчитан суммарный риск для этих веществ для 30 апреля 2025 года. Цифровая карта суммарного риска здоровью населению при хроническом ингаляционном воздействии с атмосферным воздухом при воздействии этих двух веществ приведена на рис. 3.

Для сопоставления концентраций диоксида азота и серы в атмосферном воздухе г. Череповец, полученных по данным спутникового мониторинга нами использовались данные открытого сервиса наземного мониторинга качества атмосферного воздуха в г. Череповце, предоставляемого ПАО «Северсталь». Значения концентраций диоксида азота  и диоксида серы, полученных путем наземного и спутникового мониторинга для 6 постов наблюдения приведены на рис. 4а и 4б.

Обсуждение

Цифровые карты концентраций загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота и диоксидом серы по данным спутника Sentinel-5P в районе г. Череповец за 30 марта 2025 года (рис. 1а, 1б), позволяют заключить, что основная часть воздушного пространства города подвержена интенсивному воздействию загрязнителей. По диоксиду серы 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 в г. Череповец наблюдалось юго-западное направление ветра, поэтому зона загрязнения атмосферного воздуха рассматриваемыми поллютантами сдвигается на северо- восток от города в сторону населенных пунктов Солманское, Тоншалово.

Цифровая карта коэффициента опасности диоксида азота при ингаляционном воздействии с атмосферным воздухом за 30 марта 2025 года (рис. 2а) показывает минимальный уровень риска в районе г. Череповец. Подобный уровень риска не требует дополнительных мероприятий по его снижению, его необходимо периодически контролировать с целью поддержания качества объекта среды обитания человека на благоприятном уровне. Для диоксида серы цифровая карта коэффициента опасности (рис.  2б) относит практически все районы города к допустимым уровням риска, за исключением Заягорбского и частично Зашекснинского районов города, где наблюдаются минимальные уровни риска. При допустимых уровнях риска необходим постоянный контроль атмосферного воздуха по данному критериальному загрязнителю. Планирование и осуществление региональных природоохранных или оздоровительных программ при допустимых уровнях риска предусматривает дополнительные мероприятия по снижению риска для здоровья человека. При этом следует отметить, что снос воздушных масс в северо-восточном направлении за счет юго-западного направления ветра приводит к тому, что близлежащие к г. Череповец  населенные пункты Солманское и Тоншалово так же оказываются в зоне допустимых уровней роиска.

Так как население г. Череповец при вдыхании атмосферного воздуха, загрязненного диоксидом азота и серы испытывают комбинированное ингаляционное воздействие на органы дыхания, нами была построена цифровая карта индекса опасности (HI) (рис. 3). Индекс опасности по влиянию на органы дыхания при комбинированном воздействии диоксида азота и серы соответствует минимальному уровню риска. Данный уровень риска не требует дополнительных мероприятий по его снижению, но его необходимо периодически контролировать с целью поддержания качества объекта среды обитания человека на благоприятном уровне.

Заключительным этапом исследования является сопоставление концентраций диоксида азота и серы, полученных наземным и спутниковым мониторингом (рис. 4а и 4б). Возможные причины расхождений данных спутникового и наземного мониторинга могут объяснятся тем, что спутниковые данные представляют собой усредненные 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 разница в концентрациях  NO₂, измеренных при спутниковых наблюдениях и наземном мониторинге (рис. 4а). При спутниковом мониторинге в ходе построения цифровых карт загрязнения атмосферного воздуха мы не использовали профили столбцовой концентрация вещества (моль/м²). Столбцовая концентрация изменяется по высоте атмосферного столба. В слое атмосферы у поверхности земли она максимальная, а при подъеме над поверхностью земли значение столбцовой концентрации вещества в атмосферном воздухе уменьшается. Нами в расчетах принималось среднее значение по всей высоте атмосферного столба. Высота источника выброса загрязнителей атмосферного воздуха также может вносить определенный 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 дает меньшие значения. Выбросы диоксида серы в атмосферный воздух представляют в основном промышленные объекты, которые осуществляют выброс через трубы на определенной высоте от поверхности земли (10-50 метров). При выбросе происходит диффузионное рассеяние загрязнителя в атмосферном воздухе и температура выбрасываемой смеси, температура окружающего воздуха, высота источника выброса определяют то, как будет распределятся загрязнитель в атмосферном воздухе. Это наглядно демонстрируют данные измерения на постах концентрации SO₂. На 4 посту измерения 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

Таким образом, 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 временные 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 удаленных 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.

Оценка риска здоровью населения г. Череповец ингаляционного воздействия полютантами диоксидом азота и серы представляют минимальный (менее 1,0·10^-6)   и допустимый риск (1,1·10^-6  - 1,0 · 10^-4) в зависимости от района города. Комбинированное ингаляционное воздействие на органы дыхания диоксидом азота и серы представляют минимальный риск (менее 1,0·10^-6).  

 

 

Дополнительная информация

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: С.А. Царева — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; Ю.В. Царев — написание кода программного обеспечения на языке JavaScript в среде Google Earth Engine, анализ геопространственных данных и расчет риска здоровью; В.В. Гончарова—анализ данных, подготовка и написание текста статьи; Е.Г. Лилеева — расчет риска здоровью.

Author contribution. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors made a significant contribution to the development of the concept, conduct of the study, and preparation of the article, read and approved the final version before publication). The largest contribution is distributed as follows: S.A. Tsareva - literature review, collection and analysis of literary sources, writing the text and editing the article; Yu.V. Tsarev - writing the software code in JavaScript in the Google Earth Engine environment, analyzing geospatial data and calculating health risks; V.V. Goncharova—data analysis, preparation and writing of the article; E.G. Lileeva - Health Risk Calculation.

Благодарности. Авторы выражают свою признательность: компании ПАО «Северсталь» за предоставленные данные наземного мониторинга критериальных загрязнителей атмосферного воздуха г. Череповец; Европейскому космическому агентству за предоставленные данные спутника Sentinel-5P; компании Google за предоставленный облачный сервис Google Earth Engine.

Acknowledgments. The authors express their gratitude to: PAO Severstal for the provided ground-based monitoring data of criterion air pollutants in Cherepovets; the European Space Agency for the provided Sentinel-5P satellite data; and Google for the provided Google Earth Engine cloud service..

 

 

 

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 [Internet]. Череповец: МКУ ИМА «Череповец». 2003-. Режим доступа: https://cherinfo.ru/32  Дата обращения: 12.04.2025

³ Sentinel-5P. [Internet]. European Space Agency. [cited 2025 April 12]. Available from: https://sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/missions/sentinel-5p.

⁴ Copernicus. Europe's eyes on earth. Looking at our planet and its environment for the benefit of Europe’s citizens. [Internet]. European Space Agency. [cited 2025 April 12]. Available from: https://www.copernicus.eu/en

⁵ TROPOMI monitors trace gases and aerosols relevant for air quality and climate. [Internet]. European Space Agency. [cited 2025 April 12]. Available from:  https://www.tropomi.eu/

⁶ Google Earth Engine. A planetary-scale platform for Earth science data & analysis [Internet]. Google. [cited 2025 April 12]. Available from: https://earthengine.google.com

⁷ Р 2.1.10.3968-23 «Руководство по оценке риска здоровью населения при воздействии химических веществ, загрязняющих среду обитания» (утв. Федеральной службой по надзору в сфере здравоохранения от 5 сентября 2023 г.).  Режим доступа: https://base.garant.ru/408644981/ Дата обращения: 12.04.2025

⁸ Мониторинг качества воздуха в Череповце [Internet]. Череповец: ПАО «Северсталь». 2024-. Режим доступа:  https://severstal.com/rus/eco-monitoring/#_blank Дата обращения: 12.04.2025

作者简介

Sophia Tsareva

Yaroslavl State Technical University: Yaroslavl, RU;


Yaroslavl State Medical University: Yaroslavl, RU

编辑信件的主要联系方式.
Email: zarew@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-2099-4885
Scopus 作者 ID: 9038734600

кандидат химических наук, доцент 

кафедра экономики и управления 

俄罗斯联邦, 150000 Yaroslavl, Moskovsky Prospekt, 88

参考

补充文件