Monitoring zdrojů znečištění metodami DPZ

Charakteristika problému

(podstata jevu, hlavní příčiny, jak ho lze studovat, …)

Terminologie

Pojem zdroj znečištění zde používám jako označení pro jakýkoliv lidmi způsobený lokalizovaný proces, který vede k uvolňování polutantů do životního prostředí.

Polutantem je přitom myšlena jakákoliv látka, narušující životní prostředí.

Základní typy znečištění

• Znečištění vzduchu, vypouštění částic chemikálií do atmosféry. Mezi typické příklady patří oxid uhelnatý, oxid uhličitý, oxid siřičitý, freony a oxidy dusíku. Mezi producenty patří w:průmysl (bodové zdroje), lidská sídla (plošné zdroje) a dopravní prostředky (liniové zdroje).
• Znečištění vody povrchovým odtokem a prosakováním do podzemní vody.
• Kontaminace půdy vzniká buď znečištěním povrchu půdy, nebo porušením podzemních nádrží. Mezi nejvýznamnější látky, znečišťující půdu patří w:uhlovodíky, těžké kovy, MTBE, w:herbicidy, w:pesticidy a chlorované uhlovodíky.
• Radioaktivní znečištění, bylo zjištěno díky pokrokům atomové fyziky ve w:20. století.
• Hlukové znečištění, které zahrnuje hluk z pozemních komunikací, hluk letadel a hluk průmyslu.
• Světelné znečištění, zahrnující nadužívání světelných zdrojů a přesvětlování w:interiérů.
• Snížení estetické hodnoty, za něž je obvykle považován výskyt objektů, jako jsou: vedení vysokého napětí, billboardy podél silnic, narušený reliéf ( pozůstatky povrchové těžby), povrchové skládky odpadu, atp.
• Tepelné znečištění, jež zahrnuje veškeré změny teploty vodních těles, způsobené lidským vlivem.

Zdroje znečištění

Znečišťování životního prostředí je nechtěný průvodní jev mnoha lidských aktivit. Negativní důsledky jsou mnohdy poznány až poté, co jsou byl postup delší dobu používán (např. v případě DDT, polychlorovaných bifenylů...). Všechny zdroje znečištění jsou lokalizovány a to umožňuje jejich detekci metodami Dálkového průzkumu Země. Z prostorového hlediska je možno rozlišit následující typy zdrojů:

• Zdroje bodové (typicky průmysl)
• Zdroje liniové (typicky pozemní komunikace, dopravní koridory)
• Zdroje plošné (typicky sídla)

Toto rozdělení je významné jak z hlediska metod, používaných v DPZ, tak v oblasti modelování vlivu znečištění.

Metody studia

Řešený problém lze rozdělit na 2 na sebe navazující fáze:

1. Monitoring zdrojů znečištění. Tradiční využívání pozemních měření, v poslední době také využití DPZ.
2. Rozptyl emisí. Při řešení těchto problémů se používá zejména numerických modelů, které jsou ovšem ovlivněny také rozvojem DPZ.

Studium daného jevu metodami DPZ

Při monitoringu znečištění jsou požívána jak družicová, tak letecká zařízení. Často jsou používány obdobné přístroje, specializované pro určité využití. Následující přehled je pouze orientační.

Znečištění ovzduší

Terra (EOS AM-1) a MOPTIT

Výstup ze senzoru MOPTIT družice Terra - rozložení oxidu uhelnatého v troposféře.

Terra (EOS AM-1) je mezinárodní satelit pro vědecký výzkum NASA, který obíhá Zemi synchronně se Sluncem. Je vlajkovou lodí Systému pro pozorování Země (EOS, Earth observing system) NASA. Satelit byl vypuštěn pomocí rakety Atlas IIAS na konci roku 1999 a data začal poskytovat v únoru roku 2000. Na satelitu je umístěno 5 senzorů pro dálkové snímání přírodního prostředí Země a klimatického systému.

MOPITT (Measurements Of Pollution In The Troposphere)

Skener MOPITT je nejpoužívanějším skenerem pro detekci znečištění atmosféry na družici Terra. Zaměřuje se zejména zejména na rozšíření, přemísťování a zdroje oxidu uhelnatého a metanu v troposféře. Je prvním satelitním senzorem, který používá korelační spektroskopii plynů. Senzor měří emitované a odražené záření ze Země ve třech spektrálních pásech. Vstupující záření prochází komorami naplněnými oxidem uhelnatým a metanem, vznikající napětí odpovídá výskytu sledovaných plynů v atmosféře. Prostorové rozlišení je 22 km v nadiru (oblast kolmo pod senzorem). Země je sledována v pásech širokých 640 km (vizte tuto animaci). Kromě celkového měření sloupce atmosféry je také možno měřit výskyt oxidu uhelnatého v 5ti kilometrových vrstvách vertikálního sloupce atmosféry, což umožňuje sledovat rozšiřování plynu zpět k jeho zdroji.

MAPS (Measurement of Atmospheric Pollution from Satellites)

Projekt se zabýval měřením koncentrací oxidu uhelnatého v troposféře a byl tak vlastně předchůdcem dnešního MOPITTu. Prostředkem bylo umístění přístrojů na raketoplánech při jejich celkem 4 startech (v letech 1981, 1984,2×1994). Použitá technologie byla v podstatě stejná jako u MOPITTu. Při vstupu do záření se paprsek dělí na 3 paprsky, rozdíl energie prvních dvou (z nichž jeden prochází komorou s oxidem uhelnatým) určuje obsah oxidu uhličitého ve sloupci, třetí paprsek určuje množství oxidů dusíku, to má význam pro detekci oblačnosti (pod mraky není možno CO měřit). Podle zprávy z roku 1996 bylo plánováno

ENVISAT, SCIAMACHY, MIPAS a GOMOS

Model družice Envisat v originální velikosti.

Envisat je projekt Evropské kosmické agentury (ESA), zaměřený na průzkum životního prostředí Země. Na palubě se nachází celkem 9 senzorů. Mnoho z nich je zdokonalenými verzemi těch, které byly dříve použity na satelitech ERS-1 a ERS-2. Pro detekci zdrojů znečištění se používá především SCIAMACHY. Satelit byl vypuštěn za pomoci rakety Ariane v roce 2002, obíhá synchronně se Sluncem, stejné místo je snímáno jednou za 35 dní.

SCIAMACHY

SCIAMACHY snímající Zemi

SCIAMACHY je zkratkou pojmu Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY, který lze volně přeložit jako Spektrometr, snímající absorbci obrazu pro atmosférickou kartografii.

SCIAMACHY je satelitní spektrometr, vytvořený pro měření slunečního záření, přeneseného, odraženého a rozptýleného v zemské atmosféře nebo na Zemském povrchu. Snímá ve třech pásmech vlnových délek - ultrafialovém, viditelném a blízkém infračerveném (240 nm - 2380 nm) při průměrném spektrálním rozlišení (0,2 nm - 1,5 nm). Vysoké rozlišení a široké spektrum vlnových délek umožňují zjišťovat mnoho různých vzácných plynů přes jejich nízké koncentrace v atmosféře. Široká škála snímaných vlnových délek umožňuje také zjišťování oblačnosti a aerosolů. Používané pozorovací úhly umožňují zjišťovat jak koncentrace vzácných plynů a aerosolů za délkový sloupec, tak za jednotlivé distribuční profily ve tsratosféře a v některých případech také v troposféře.

MIPAS

The Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) je Fourierův transformační spektrometr pro detekci spektra plynů ve střední a svrchní atmosféře o vlnových délkách 4,15-4,16 mikronů. MIPAS zjišťuje a spektrálně odděluje velké množství znečišťujících vlastností prvků, hrajících důležitou úlohu v atmosféře. Výhodou je vysoké spektrální rozlišení a nízký šum. Skener sleduje atmosféru vedle a za družicí. Snímaný vertikální profil sahá od 5 až po 150 km. Sledování je důležité zejména z důvodu možných reakcí chemikálií s jinými plyny.

GOMOS

GOMOS je spektrometr středního rozlišení, pokrývající vlnové spektrum on 250 nm po 950 nm. Vyznačuje se velkou citlivostí, umožněnou speciálním návrhem. Pro získávání dat musí být používán velký teleskop (průměr 20×30cm) stejně tak jako detektory, dosahující vysoké efektivity a velmi nízkého šumu. Je umístěn ve stratosféře a sleduje jak plyny, ničící ozón, tak oxidy dusíky vylučované letadly.

Znečištění vody

Technologie SAR a ASAR

SAR je typ radaru, sloužící k průzkumu poměrně statických objektů na povrchu Země. Pomocí radarových odrazů je možno rozeznávat různé typy povrchů. To může být použito k detekci znečištění vodních ploch látkami, které vytvářejí skvrny při povrchu (typicky uhlovodíky). Příklad takového použití dokládá projekt Monitoringu ropných skvrn při pobřeží Norska (vizte příklady).

Radary SAR byly a jsou využívány na více typech družic. Mezi nejvýznamnější z nich patří:

• kanadské satelity RADARSAT
• satelity ERS ESA
• satelit ENVISAT ESA
• japonské satelity JERS

ASAR

Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) je umístěn na družici ENVISAT ESA. Snímá pásmo C, část mikrovlnného spektra. Navazuje na dřívější senzory SAR, používané ESA. Vylepšeno bylo pokrytí, snímané úhly, polarizace a mody práce.

	An Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR), operating at C-band, ASAR ensures continuity with the image mode (SAR) and the wave mode of the ERS-1/2 AMI. It features enhanced capability in terms of coverage, range of incidence angles, polarisation, and modes of operation. This enhanced capability is provided by significant differences in the instrument design: a full active array antenna equipped with distributed transmit/receive modules which provides distinct transmit and receive beams, a digital waveform generation for pulse "chirp" generation, a block adaptive quantisation scheme, and a ScanSAR mode of operation by beam scanning in elevation.

(jaké družice, jaké přístroje, jaké snímky, měřítko, …)

Konkrétní příklady

Projekt MINEO

Projekt MINEO se zabýval monitoringem environmentálních dopadů těžby nerostných surovin v Evropě metodami dálkového průzkumu Země.

Cíle projektu

Mezi jeho hlavní cíle patřilo:

• vyvinutí pokročilých metod využívání informací a znalostí z dálkového průzkumu Země, díky kterým bude možno poskytovat uživatelům (průmysl, veřejná správa) aktualizované tematické vrstvy pro vybudování environmentální databáze, týkající se míst těžby nerostných surovin. Dálším cílem bylo vyvinout nástroje pro přípravu a aktualizaci těchto vrstev.

• vyvinout klíčové komponenty nástrojů pro rozhodování a metod pro zajištění použití výsledků projektu v environmentálních informačních systémech, sloužících k určení polohy a monitoringu environmentálních rizik, spojených s místy těžby a pomáhat v rozhodovacích procesech.

Popis prací, spojených s využíváním DPZ

Byl proveden letecký hyperspektrální průzkum šesti vybraných testovacích lokalit v různých částech Evropy (Grónsko, Finsko, Rakousko, Německo, Velká Británie, Portugalsko) jako simulace budoucích družicových průzkumů. Získána byla také data z dřívějších dálkových průzkumů těchto lokalit. Pro detekci kontaminace byly vyvinuty specifické metody zpracování obrazových dat.

Tato data byla následně porovnána se současně získávanými pozemními spektro-radiometrickými měřeními.

Všechna data byla poté zpracována za použití nástrojů GIS. Při tom byla využita i existující data z terénních průzkumů či od státních organizací ochrany přírody.

Výsledky

Z hlediska dálkového průzkumu Země je nejvýznamnější simulace pozdějšího hyperspektrálního satelitního průzkumu celé Země. Hyperspektrální průzkum se ukázal jako velmi hodnotná technologie při zjišťování těžebního znečištění a jeho dopadů v různých klimatických podmínkách a při různých způsobech těžby. Důležitým úspěchem je také vybudování spektrální databázové aplikace (nazvané MINEO Spectral Library). Ta je naplněna více než 1500 vzorky ze zkušebních lokalit a umožňuje jejich snadné porovnávání, hledání a zobrazování. Tato databáze je uzpůsobitelná konkrétním potřebám dalších podobných projektů.

(obrázky, mapy, tabulky)

Odkazy

(adresy, projekty, publikace, …)