1. پایش آلودگی هوا با استفاده از فراسنج عمق نوری هواویزها
نویسندگان: دکتر ویکتوریا عزتیان و اعظم باقری
مرکز پژوهشی شیمی جو، ازن و آلودگی هوا (اداره کل هواشناسی استان اصفهان)
چکيده
هواویز های موجود در جو شامل ذرات جامد و مایع معلق در هوا بوده که دارای منشأ انسان ساز و طبیعی هستند. بر اساس مطالعات صورت گرفته، در بين آلاينده‌هاي هوا، ذرات معلق تأثير عمده و مستقيمي روي سلامتي افراد دارند و در شهر اصفهان آلاینده غالب می باشند. در بیشتر مواقع بحرانی آلودگی هوا در شهر اصفهان، آلاینده غالب ذرات معلق با قطر 10 تا 2/5 میکرومتر می باشند، لذا پايش آنها در بازه های زمانی کوتاه مدت و درازمدت مورد توجه مي‌باشد. روش متداول پايش عمق نوری هواویز ها، استقرار ايستگاه‌هاي زميني اندازه گیری می باشد. یکی از ادواتی که برای اندازه گیری عمق نوری هواویز ها مورد استفاده قرار می گیرد بیناب سنج نوری بروئر است. این دستگاه از سال 2005 میلادی اندازه گیری این فراسنج را در شهر اصفهان آغاز نموده است. همزمان با این فراسنج مقادیر ازن کلی و تابش فرابنفش نورخورشید نیز اندازه گیری می گردد. البته امکان استفاده از تصاوير ماهواره‌اي جهت پايش ذرات معلق نیز وجود دارد که توسط ماهواره MODIS اندازه‌گيري می شود. در روش اندازه گیری عمق نوری هواویز ها از فراسنج بدون بعدي به نام AODاستفاده مي‌شود. عمق نوری هواویزها شاخصی است که از 1 تا 4 تغییر می کند. هرچه هوا آلوده تر باشد این شاخص افزایش یافته و به 4 نزدیکتر می شود. هرچه هوا پاکتر باشد این شاخص به یک نزدیکتر است. روی شهر اصفهان این مقادیر بین 2 تا 5/2 متغیر می باشد که بیانگر کیفیت متوسط و نه چندان مطلوب هوا در منطقه می باشد. افزایش غبارات معلق مهاجر که از سایر مناطق به کشور منتقل می شوند نیز از جمله عواملی است که عمق نوری هواویزها را به شدت افزایش می دهد. لذا جذب تابش توسط پوشش زمینی و به ویژه گیاهان را کاهش داده و با کاهش بازده فتوسنتز گیاهان همراه است. لازم به ذکر است که توسعه صنعتي و افزايش جمعيت شهري در اثر مهاجرت بي‌رويه، شهر اصفهان را با مشکلات عديده اي از جمله معضل تهديد سلامت عمومي به دليل افزايش آلودگي هوا و اثرات مخرب آن مواجه نموده است. در این پژوهش با استفاده از روش‌هاي مختلف آماري همبستگي بين AOD ، ازن کلی، تابش فرابنفش و غلظت زميني ذرات آلاینده مورد بررسي قرار گرفته است. دوره زماني مورد بررسي میلادی می باشد و اطلاعات ايستگاه ازن سنجی مستقر در شهر اصفهان به عنوان ورودي مدل در نظر گرفته شده است. در نهايت مناسبترين مدل جهت برآورد مقادیر عمق نوری ذرات معلق ارائه شده است..
کليدواژه: آلودگي هوا؛ هواویز؛ ذرات معلق؛ عمق نوری.
مقدمه
بر اساس مطالعات صورت گرفته، در بين آلاينده‌هاي هوا، ذرات معلق تأثير عمده و مستقيمي روي سلامتي افراد دارند و بدین دلیل پايش و کنترل دراز مدت آنها مورد توجه مي‌باشد. روش متداول پايش، استقرار ايستگاه‌هاي زميني ثبت بوده که هزينه زيادي را به مديريت شهري تحميل مي‌نمايد. امروزه، امکان استفاده از روش جديدي جهت پايش ذرات معلق با استفاده از داده های ماهواره‌اي و بیناب سنج نوری بروئر مورد بررسي قرار گرفته است. در اين روش از فراسنج بدون بعدي بنام عمق نوري هواویز(Aerosol optical depth) استفاده مي‌شود که توسط بیناب سنج نوری بروئر اندازه گیری شده است.
به عبارت دیگرعمق نوري هواویز، یک مقدار و اندازه ای از پراکندگی و جذب نور مرئی توسط ذرات در یک ستون قائمی از جو است. عمق نوری، یا ضخامت نوری اندازه گیری شفافیت است. عمق نوری به عنوان منفی لگاریتم طبیعی از کسری از تابش (مثل نور) که پراکنده یا جذب بر روی سطحی نشده تعریف گردیده است. از این رو عمق نوری در بعد است نه طول. با این حال، عمق نوری را به یک شی به طور معمول به عنوان فاصله به کاهش شی نزدیک صفر است.
عمق نوری به عنوان شاخصی جهت ارزیابی تمرکز هواویزها
یکی از فراسنج های مهم در مطالعه توزیع هواویزهای حاصل از گرد و غبار در واقع همان عمق نوری هواویزها می باش. این کمیت وابسته به طول موج به صورت کاهش نور در واحد طول بر روی یک مسیر مشخص تعریف می شود. مسیر نوری فاصله عمودی از سطح زمین در قسمت فوقانی جو می باشد. مقدار عمق نوری می تواند با تراکم تعداد هواویزهای مورد نظر و ویژگی های آن ذرات متفاوت باشد. اوگرن دامنه تغییرات عمق نوری 0/2 تا 0/1 را برای شرایط هوای قاره ای صاف و 0/05 تا 0/1 را برای هوای بحری صاف پیشنهاد نمود. بالا بودن مقادیر AOD از این مقدار نشان دهنده بیشتر بودن هواویزها در امتداد ستون عمودی هوا بوده و به عبارتی دید در امتداد آن ستون کم می باشد. میانگین عمق نوری هواویز در مقیاس جهانی ناشی از غبارات کانی ها به تنهایی حدود 0/023 برآورد شده است. در صورتیکه رقم فوق را با عمق نوری محلی یا منطقه رویدادهای عمده گرد و غباری که بین 0/3 تا 2/5 است، مقایسه نماییم به نقش مهم آنها در کاهش عبور نور پی می بریم. هواویزها تمایل به جذب یا انعکاس تابش خورشیدی وارده داشته و بنابراین میزان قابلیت دید را کاهش داده و عمق نوری را افزایش می دهند. عمق نوری کمتر از 0/1 نشان دهنده آسمان صاف و شفاف با بیشینه قابلیت دید است. در حالیکه مقدار 4 نشان دهنده حضور حجم متراکمی از هواویزها است که مانع رسیدن نور خورشید حتی در میانه روز به سطح زمین می شوند.
ارائه مدل برآورد ازون کلی و عمق نوری ذرات معلق:
در این مرحله برای این که بتوان توسط مدل پیشنهادی مقادیر عمق نوری ذرات معلق را برآورد نمود‍ در مرحله اول Aod به عنوان متغير وابسته فرض شده و بقیه متغیرها مستقل فرض می شوند. در این بخش با استفاده از روش آریما (Autoregressive moving average = ARIMA ) شش مدل برای برآورد عمق نوری ذرات معلق Aodارائه شده است که از بین شش مدل بهترین مدل انتخاب خواهد شد. مدل ها با تغییر ضرایبp,q,d حاصل می شوند.
خلاصه اطلاعات مدل
از بين 6 مدل برازش شده، مدل آریما (1,1 ,1) با مقدار AIC = و آماره‌ها و سطح معني‌داري T به عنوان مدل بهینه برآورد AOD انتخاب مي‌شود.
(1-1-1)- مدل آریما
UCL_ % UCL for LOGAOD from ARIMA , MOD_14 CON
SEP_ SE of fit for LOGAOD from ARIMA , MOD_14 CON
مدل آریما (1,1 ,1)
( ø1) ( ø1) (1-B) LOGAOD=0
اكنون بايد شرايط باقي‌مانده‌ها براي درستي مدل را بررسي كنيم:
نمودار P-P plot براي مقادير باقي‌مانده مدل آریما (1,1 ,1)
نمودار TS Plot باقي‌مانده‌هاي مدل
حدود اطمینان برای باقي‌مانده‌هاي مدل
مقادیر پيش‌بيني شده توسط مدل آریما (1,1 ,1) براي AOD
نتایج بحث
در این پزوهش مدل های آماری گوناگون بر اساس مقادیر متغیرهای هواشناختی و غلظت آلاینده های جوی (به عنوان متغیرهای ورودی)، برای پیش بینی تغییرات عمق نوری هواویزها در اصفهان در مقیاس زمانی یک روز ارائه شد. این مدل ها طیف وسیعی از مدل های وایازی خطی چند متغیره را شامل شد. نتایج تحلیل نشان داد که بین تغییرات عمق نوری هواویزها و ترکیب های گوناگون متغیر های هواشناختی و آلاینده های جوی همبستگی‌های معنی دار وجود دارد. با این حال، هیچ یک از مدل ها توانایی تبیین سهم بزرگی از واریانس مقادیر اندازه گیری شده عمق نوری هواویزها در اصفهان را نداشت. حتی محاسبه یک مدل غیر خطی دو متغیره اگرچه توانست حالت کلی نوسانات ذاتی عمق نوری هواویزها را نشان دهد، اما به دلیل وجود آشفتگی و نوسانات نامنظم زیاد در داده ها نتوانست به عنوان مدلی بهینه برای پیش بینی عمق نوری هواویزها مورد قبول قرار گیرد.
بیشتر مدلهای ارائه شده در این پزوهش نشان دهنده وابستگی عمق نوری هواویزها به شرایط دمایی و رطوبتی هستند و نشان دادند که افزایش دما و رطوبت بیشترین سهم را در تغییرات عمق نوری هواویزها در محیط دارند. این نقش در پاره ای از مدلها به تابش محیط اختصاص داشت. لازم به ذکر است که در مقیاس روزانه متغیرهای گاز منوکسید کربن و دما توانستند بهترین توجیه را برای غلظت ازون وردسپهری را ارائه نمایند.
ذکر مجدد این نکته حائز اهمیت است که ماهیت چنین داده هایی انتظار پژوهشگران را در محاسبه ضرایب همبستگی و تبیین بالا و یافتن روابط صریح و توانمند کاهش می دهد. این مساله در ماهیت خود داده ها نیز قابل مشاهده است. بعلاوه احتمال وجود رابطه غیر خطی بین عمق نوری هواویزها و فراسنج های مورد استفاده و یا احتمال تاثیر سایر عوامل در تشکیل یا از بین رفتن مولکول های ذرات معلق موجب کاهش قدرت مدل­ها می گردد. با این حال هرچند مدل های وایازی نشان دادند که کارایی نسبتاً بالایی برای توجیه تغییرات و پیش بینی عمق نوری هواویزها دارند، ولی تعدد متغیرهای ورودی آنها موجب می شود که این مدل ها از دیدگاه کاربردی چندان مفید نباشند.
پيشنهادات
توسعه پوشش مکانی و زمانی شبکه دیدبانی آلاینده های هوا به منظور ارتقاء توانمندی های پایش به هنگام (real time)، توسعه سامانه های کنترل کیفی/ اطمینان کیفی، بهبود دسترسی به داده و ترویج استفاده از آنها، بهبود پیش بینی و پیش آگاهی های هوا، تقویت ارتباط و مشارکت بین مؤلفه های اجرایی مرتبط با آلودگی هوا و مراکز علمی، شناسایی و شفاف سازی وظایف مجموعه های مرتبط با آلودگی هوا، شناخت بهتر سازوکار پیچیده جو با در نظر گرفتن تغییرات ناشی از عوامل طبیعی و انسانی، تهیه داده و اطلاعات علمی قابل اعتماد برای تصمیم گیرندگان در سطوح ملی و فرا ملی، دیدبانی جامع و قابل اعتماد از ترکیبات شیمیایی و ویژگی های فیزیکی منتخب جو در مقیاس های ملی و منطقه ای، ایجاد جامعه علمی به منظور پیش بینی حالت های آینده جو، سامان دهی ارزیابی ها در حمایت از سیاست گزاری های زیست محیطی، طراحی شبکه ایستگاه های زمینی، جو بالا، ماهواره ای و اداری، تهیه تجهیزات و نرم افزارهای سامانه دیدبانی و پایش آلودگی هوا، ایجاد مراکز دیدبانی، ذخیره سازی، انتقال و پایش و مطالعات آلودگی هوا، راه اندازی، تکمیل و بروزرسانی و نگهداری سامانه آلودگی هوا.
منابع مورد استفاده
فرید عمید، امکان سنجی بکارگیری روش های سنجش از دور در پیش بینی غلظت آلاینده های اتمسفری (مطالعه مورد شهر تهران)، پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی عمران و محیط زیست، اسفند 1385، دانشگاه تهران، دانشکده محیط زیست.
خسروی، محمود، 1367، تاثیرات متقابل انسان و محیط در دشت سیستان، مجموعه مقالات سمینار بررسی توان های طبیعی استان سیستان و بلوچستان با توجه به برنامه ریزی های ناحیه ای، مرکز هماهنگی مطالعات محیط زیست دانشگاه تهران.
خسروی، محمود، 1368، اثرات نامساعد بیوکلیمایی ناشی از عوامل طبیعی در دشت سیستان، فصلنامه تحقیقات جغرافیایی، شماره 13، تابستان 1368
خسروی، محمود، 1387، تحلیل فضایی آلایندگی طوفان های گردوغباری ناشی از بادهای 120 روزه سیستان با استفاده از داده های سنجش از دور ( )، مقاله ارائه شده در یازدهمین همایش بهداشت محیط ایران، دانشگاه علوم پزشکی زاهدان.
5. Andreas E. L . et al , 1995 , the sea spray contribution to net evaporation from the sea: A review of recent programs, Boundary layer meteorology.
6. Charlson, R. J. and Heintzenberg J. (1995) : introduction in aerosol forcing of climate: report of the dahlem workshop on aerosol forcing of climate, Berlin 1994, april 24-29
7. Ogren, J, A. (1995) : A systematic approach to in situ observation of aerosol properties, in R. J. Charlson and J. Heintzenberg (eds), Aerosol forcing of climate: report of the dahlem workshop on aerosol forcing of climate, berlin 1994, april 24-29 8.
9. earthobservatory.nasa.gov
10. en.wikipedia.org/wiki/Optical_depth