Оценка загрязнения окружающей среды дымовыми выбросами от пожаров по спутниковым данным

Научно-технические разработки

УДК 614.8

Н.В. Трофимова, А.И. Сухинин, к.ф.-м.н.

ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ДЫМОВЫМИ ВЫБРОСАМИ ОТ ПОЖАРОВ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ

Анализируется возможность использования информации со спутника «Terra» для качественной оценки загрязнения окружающей среды дымовыми выбросами от крупных лесных пожаров.

На основе спутниковых данных описана методика дешифрирования гарей; произведена оценка площади выгоревших участков лесной поверхности; разработана методика дистанционной оценки дымовых выбросов от крупных лесных пожаров; проведена качественная оценка массы выделившихся газов за пожароопасный период 2003 г. на территории Забайкалья

А.И. Сухинин

Серьезные изменения экологической обстановки на Земле (глобальное потепление, поднятие уровня океана, разрушение озонового слоя, кислотные дожди) обусловили всевозрастающий в последние годы интерес к данной проблеме. Исследуются взаимосвязи между процессами, происходящими на Земле; разрабатываются модели, способные объяснить сегодняшние и предсказать будущие изменения. Моделирование процессов требует регулярного сбора анализа объективных данных о разных компонентах окружающей среды. Такие данные, представленные в широком диапазоне спектра излучения, должны покрывать всю поверхность земли и накапливаться в течение длительного периода.

Для решения задачи сбора данных о состоянии поверхности Земли во всем мире широко используется информация, получаемая со спутников.

В мае 2003 года в лаборатории мониторинга леса ИЛ СО РАН была установлена антенна для приема космической информации со спутника «Terra». На борту этого спутника находится спектрора-диометр высокого разрешения MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer), который позволяет наблюдать за атмосферными, океанскими процессами и процессами, связанными с земной поверхностью, такими, как температура поверхности земли и океана, цветение океанов, характеристики облачного и снежного покровов, восстановление температурных профилей и профилей влажности. MODIS позволяет ежедневно следить за всем земным шаром с пространственным разрешением от 250 м до 1 км. Спектрорадиометр пассивного типа MODIS, несёт 490 датчиков в 36 спектральных полосах, которые охватывают видимый и инфракрасный диапазон длин волн от 0,4 до 14 мкм.

Эти данные используются для анализа пожароопасной ситуации и оценки сгоревших лесных площадей, а также для качественной оценки загрязнения окружающей среды выбросами в атмосферу токсичных веществ и парниковых газов, выделяющихся в результате лесных пожаров (рис. 1).

Пожар — один из сложнейших процессов, происходящих на земле; особенно опасны химические реакции и физические процессы происходящие в них, такие как — выделение газов и частиц веществ, попадающих в атмосферу в процессе горения биомассы. Пожар приводит к изменению физического состояния растительности, в результате чего в атмосферу высвобождаются различные парниковые газы. На сегодняшний день остро стоит проблема с объемом выделения и оседания парниковых газов и аэрозолей, которые существенно влияют на развитие парникового эффекта. Поэтому оценка выбросов в атмосферу от лесных пожаров является одной из первоочередных задач.

Учитывая влияние аэрозолей на главнейшие биохимические циклы и, в частности, на глобальный углеводородный баланс, становится очевидной важность применения дистанционных методов оценки опасности лесных пожаров и их количественного описания.

Методика дистанционной оценки дымовых выбросов

Для качественной оценки дымовых выбросов в атмосферу от крупных лесных пожаров используется методика определения сгоревшей биомассы по данным дистанционных спутниковых измерений.

Освобождение химически активных газов во время горения биомассы оказывает сильное влияние на химические процессы, происходящие внутри атмосферы. Исследования показали, что горение биомассы имеет сильное влияние на региональные и глобальные изменения в тропосфере и может быть связано с отложением кислот. Серьезным источником остаточных газов, таких как NO, CO2, CO, O3, SO2, CH4 и других углеводородов являются лесные пожары. При ежегодном горении биомассы в атмосферу выбрасывается 38 % озона, 32 % окиси углерода, 20 % водорода и приблизительно 39 % частиц органического углерода [1].

Полное и эффективное сгорание органического вещества приводит к образованию воды и двуокиси углерода как основных продуктов сгорания. На первый взгляд горение биомассы не влияет на баланс атмосферного СО2, поскольку он возвращает в атмосферу углекислоту, поглощенную ранее растениями. Однако скорость замены сгоревшей биомассы возобновлением мала, поэтому СО2 накапливается в атмосфере и влияет на парниковый эффект и изме-

нение климата в глобальном масштабе. 45 % сухого вещества состоит из углерода, поэтому количество сгорающей биомассы косвенно отражает количество сгоревшего углерода. Исходя из того, что количество сгоревшей биомассы можно рассчитать в углеродном эквиваленте, были получены оценки массы газов, выделяющихся в результате горения биомассы.

В работе представлено описание методики дешифрирования участков, поврежденных крупными лесными пожарами, с использованием информации, получаемой со спектрорадиометра MODIS (рис. 2), и дана качественная оценка загрязнения окружающей среды дымовыми выбросами от лесных пожаров на территории Забайкалья, где был зафиксирован экстремальный сезон с массовыми лесными пожарами в 2003 г.

По метеосводкам, на исследуемой территории до середины сентября 2003 года, сохранялось превышение предельно допустимой концентрации продуктов горения в атмосфере.

Методика дешифрирования гарей по данным спутника «Terra»

Для классификации и дешифрирования гарей используются программные пакеты ERDAS Imagine и Arc Map. Наиболее пригодными для дешифрирования гарей являются двухканальные изображения с разрешением 250.

Рис. 1. Фрагмент карты горимости субъектов РФ

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Основным этапом обработки является окон-туривание выгоревших участков поверхности с учетом лесного покрова и информации о зарегистрированных пожарах, приходящихся на данную территорию.

Под площадью пожара следует принимать площадь внутри контура пожара в момент окончания его ликвидации, на которой имеются признаки воздействия огня на растительность [2].

Рабочие участки выбираются из соображений яркостных спектральных характеристик изображения. Выгоревшие участки или участки, пораженные огнем, имеют, как правило, темный отличительный фон; т.е. пиксели соответствующие гарям, окрашиваются черным цветом. Оконтуривание этих темных пиксельных групп ведется на основе кластерного анализа. После этого можно судить о геометрических размерах оконтуренных участков, т.е. о периметре и площади полигонов (табл. 1).

Возможные ошибки, связанные с нарушением

покрова «старыми гарями», т.е. участками лесной поверхности, поврежденными пожарами в 2000, 2001 и 2002 гг., которые учитываются на основе анализа данных, полученных в эти годы со спутников серии NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration).

Обладая информацией о площади, пройденной огнем, можно рассчитать количество сгоревшей биомассы:

М = А • В • а • b, где: М — количество биомассы, в граммах сухого вещества, сгорающей в экосистеме, зависит от площади А, пройденной огнем;

В — среднее количество органического вещества на единицу площади в экосистеме (сухое вещество г/м2); а — доля лесных горючих материалов от общей биомассы В;

b — полнота сгорания лесных горючих материалов.

В, а, b зависят от вида экосистемы.

Полнота сгорания лесных горючих материалов, скорость распространения и интенсивность пожара зависят от свойств горючих материалов, от их количества, структуры, влажности, химического состава, а также от типа леса и географического положения района [3, 4].

Сопоставление количества горючих материалов в районах исследования приведены в табл. 2.

Используя коэффициенты выделения газов, следуя Стоксу (коэффициенты выделения, равные 445 г/кг для двуокиси углерода, 45 г/кг для окиси углерода, 4,55 г/кг для метана), были определены массы компонентов, выделяющихся при лесном пожаре (табл. 3).

Всего в атмосферу выделилось 97,7 млн. т углекислого газа, 9,6 млн. т окиси углерода и 0,97 млн. т. метана. В общей сложности за время горения лесных

Таблица 1

Сводная таблица дешифрирования крупных лесных пожаров на территории Забайкалья за пожароопасный период 2003 года

Субъект РФ Общая площадь гарей тыс. га Площадь гарей с учетом растительности, тыс. га

лес не лес

Иркутская обл. 2 872,1 2753 119,1

Усть-Ордынский Бурятский АО 174,9 110,8 64,1

Республика Бурятия 2488 2 302,3 185,7

Агинский Бурятский АО 281,3 239,3 42

Читинская обл. 5 914,2 5 402,9 511,3

Амурская обл. 2 848,8 2 014,8 833,9

Хабаровский край 8 37,6 732,3 105,3

Итого: 12 568,10 11 541 1 861,4

Таблица 2

Данные о запасе лесных горючих материалов

Субъект РФ Кол-во орган. вещества, т/га Доля л.г.м., т Полнота сгорания, %

лес не лес лес не лес лес не лес

Иркутская обл. 200 30 32 30 60 80

Усть-Ордынский Бурятский АО 200 30 30 30 60 80

Республика Бурятия 180 30 28 30 40 80

Агинский Бурятский АО 200 30 30 30 50 80

Читинская обл. 200 70 25 60 60 80

Амурская обл. 180 60 40 50 50 60

Хабаровский край 180 55 50 60 40 50

пожаров на территории Забайкалья в 2003 году в атмосферу выделилось 108,3 млн. т дымовых аэрозолей и токсичных газов. Эта цифра заставляет задуматься о том уроне, который ежегодно причиняется окружающей среде и, несомненно, сказывается на экологии и нашем здоровье.

Экологическое состояние окружающей среды во многом определяется переносом воздушных масс (рис. 3).

Система ветров, возникающая в тропосфере, способствует процессу рассеивания загрязняющих веществ. В горизонтальном направлении процесс переноса вредных примесей, выделяющихся в результате пожаров, определяет восточный ветер.

Роза ветров (характеристика направления

ветра) является обязательной характеристикой погодно-климатических условий данной территории. Она учитывается в решении ряда проблем интерпретации данных загрязнения, оценке переносов загрязненных воздушных масс как в районе исследования, так и за его пределами [5].

Анализ климатических показателей свидетельствует о неблагоприятном характере ветрового режима для рассеивания загрязняющих веществ, возможности частого возникновения инверсионных явлений.

Таблица 3

Оценка дымовых выбросов в массовом эквиваленте на территории Забайкалья за 2003 г.

Субъект РФ Газ Масса газа для лесной территории, млн. т Масса газа для безлесной территории, млн. т Суммарная масса, млн. т

Иркутская обл. со2 23,4 1,26 24,66

СО 2,37 0,12 2,49

СН4 0,24 0,013 0,253

Усть-Ордынский Бурятский АО СО2 0,84 0,66 1.5

СО 0,085 0,067 0,152

СН4 0,0086 0,0068 0,0154

Республика Бурятия СО2 11,9 1,98 13,88

СО 1,19 0,2 1,39

СН4 0,12 0,02 0,14

Агинский Бурятский АО СО2 2,55 0,45 3

СО 0,11 0,045 0,155

СН4 0,011 0,0045 0,0154

Читинская обл. СО2 36,4 10,8 47,2

СО 3,64 1,09 4,73

СН4 0,368 0,11 0,478

Амурская обл. СО2 16,1 10,68 26,7

СО 1,62 1,08 2,7

СН4 0,164 0,1 0,264

Хабаровский край СО2 6,31 1,15 7,46

СО 0,64 0,11 0,75

СН4 0,064 0,011 0,075

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Метеорологические условия Забайкалья способствуют процессу рассеивания загрязняющих веществ. Рассеивание и перенос вредных примесей определяется умеренным восточным ветром (3—7 м/с) и умеренной интенсивностью вертикального перемешивания.

На рис. 3 видно, что большая часть выделившихся в результате пожаров газов под воздействием ветра распространилась на территорию Японии. А ведь именно в Японии (в г. Киото) в 1997 г. была подписана международная конвенция, которая обязывает страны — участницы проводить оценки выбросов парниковых газов в атмосферу и всячески сдерживать их увеличение, для чего развивать системы национального мониторинга, совершенствовать измерительные системы и наращивать банки данных по выбросам в атмосферу. Россия принимала непосредственное участие в подписании этого договора.

Основные результаты

1. Исследована возможность использования информации спутника «Terra» для качественной оценки загрязнения окружающей среды дымовыми выбросами от крупных лесных пажаров.

2. Разработана методика дистанционной оценки дымовых выбросов, выражаемая через количество сгоревшей биомассы.

3. Рассчитаны массы газов, выделившихся в результате крупных лесных пожаров на территории Забайкалья в 2003 году.

4. Проведен анализ рассеивания выбросов в атмосферу от лесных пожаров на основе информации со спутника TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) и знания пространственновременной структуры распространения воздушных масс.

Литература

1. Stitch et al., 1981; Crutzen et al., 1985; Fishman et al., 1986; Andreae et al., 1988; Browell et al., 1988; Kaufman et al., 1992.

2. Сухинин А.И. Вероятность обнаружения лесных пожаров дистанционными методами // Лесные пожары и борьба с ними. — Красноярск: ВНИИПОМлесхоз, 1991. — С. 56-69.

3. Курбатский Н.П. Исследование количества и свойств лесных горючих материалов // Вопросы лесной пирологии. — Красноярск: Ил СО РАН, 1970. — С. 5-58.

4. Софронов М.А. Об условиях высыхания лесных горючих материалов под пологом древостоев // Вопросы лесной пирологии. — Красноярск: Ил СО РАН, 1970. — С. 59-105.

5. Приходько М.Г. Справочник инженера-синоптика. — Л:. Гидрометеоиздат, 1986.