Серпанок у небі може мати багато причин. Дрібнодисперсні частинки могли накопичитися протягом періоду спокійної, безвітряної погоди. Дим від лісових пожеж міг подолати сотні або навіть тисячі кілометрів. Пил, піднятий над Сахарою, може перетнути Середземне море й досягти значної частини Європи. У спекотні сонячні дні концентрація приземного озону може зростати, хоча він не надходить в атмосферу безпосередньо з джерел викидів.
Усі ці ситуації об’єднує те, що речовини, які містяться в повітрі, тісно пов’язані зі станом атмосфери.
Після потрапляння забруднювальних речовин в атмосферу їхня подальша поведінка значною мірою залежить від погоди. Вони можуть переноситися далеко від джерела, залишатися зосередженими поблизу поверхні або розсіюватися на більшій території. Дощ може видаляти з повітря частину аерозольних частинок, тоді як сонячне випромінювання й температура можуть запускати хімічні реакції, унаслідок яких із речовин, уже наявних в атмосфері, утворюються нові забруднювачі.
Тому прогнозування якості повітря — це більше, ніж прогнозування погоди. Моделі також мають описувати, які речовини містяться в атмосфері, звідки вони надходять, як вступають у хімічні реакції та куди їх далі переноситиме атмосферна циркуляція.
Від прогнозування погоди до складу атмосфери
Чисельні моделі прогнозування погоди моделюють розвиток стану атмосфери. Моделі якості повітря йдуть далі, відтворюючи також гази, аерозолі та процеси, які на них впливають.
Прогнози якості повітря, візуалізовані meteoblue, базуються на даних Служби моніторингу атмосфери Copernicus (CAMS), яка поєднує атмосферні спостереження та моделювання для прогнозування забруднювальних речовин, аерозолів та інших складових атмосфери. Ансамблеве моделювання також використовується для врахування відмінностей між окремими прогнозами та оцінювання рівня невизначеності.
Моделі якості повітря враховують викиди, перенесення, хімічні реакції, розсіювання та процеси видалення забруднювальних речовин з атмосфери. Простіше кажучи, вони мають відповісти на два запитання: що міститься в атмосфері та що відбуватиметься з цими речовинами далі?
Звідки береться забруднення повітря?
Деякі забруднювальні речовини потрапляють в атмосферу безпосередньо. Транспорт, промислові процеси, виробництво енергії та опалення житлових будинків є джерелами газів і частинок. Лісові пожежі викидають в атмосферу дим і значну кількість твердих частинок. Вітер може піднімати мінеральний пил із сухих поверхонь і часом переносити його через цілі континенти.
Свій внесок роблять і природні процеси. Рослинність виділяє органічні сполуки, вулкани — гази, попіл та інші аерозольні частинки, морські бризки утворюють аерозолі, а рослини в період цвітіння вивільняють велику кількість пилку.
Інші забруднювальні речовини мають складніше походження, оскільки утворюються вже після потрапляння первинних речовин в атмосферу.
Хорошим прикладом є приземний озон. На відміну від забруднювачів, що безпосередньо потрапляють у повітря з вихлопної труби автомобіля чи димаря, озон поблизу поверхні утворюється внаслідок фотохімічних реакцій за участю речовин-попередників, зокрема оксидів азоту та летких органічних сполук. Саме тому забруднення озоном часто пов’язане з теплою та сонячною погодою. Карта озону meteoblue показує його концентрацію поблизу поверхні. Цей тропосферний озон не слід плутати зі стратосферним озоновим шаром, який захищає Землю від шкідливого ультрафіолетового випромінювання.
Тверді частинки також можуть мати різне походження. PM10 та PM2.5 класифікують частинки за їхнім розміром, а не за конкретним хімічним складом. До них можуть належати частинки диму, сажі, мінерального пилу, солей та інших речовин. Додаткові частинки можуть також утворюватися внаслідок хімічних реакцій в атмосфері.
Таке поєднання прямих викидів, природних джерел та атмосферної хімії є однією з причин, чому прогнозування якості повітря залишається настільки складним завданням для моделювання.
Погода визначає, що відбуватиметься далі
Знати обсяг викидів забруднювальних речовин недостатньо. Однакові викиди можуть призвести до зовсім різної якості повітря залежно від погодних умов.
Розглянемо два загалом схожі дні у великому місті.
У перший день вітер слабкий, а атмосфера поблизу поверхні стійка. Вертикальне перемішування слабке, тому забруднювальні речовини накопичуються біля поверхні. Якщо такі умови зберігаються, їхня концентрація може продовжувати зростати навіть без суттєвого збільшення викидів.
Іншого дня сильніший вітер і глибший шар перемішування можуть розподілити ті самі забруднювальні речовини в значно більшому об’ємі повітря. Проходження атмосферного фронту може принести опади, які видаляють з атмосфери частину аерозольних частинок і розчинних речовин.
Не менш важливим є напрямок вітру. Низька якість повітря в певному місці не обов’язково означає, що джерело забруднення розташоване саме там. Дим, пил та інші забруднювальні речовини можуть переноситися через державні кордони й на дуже великі відстані.
Одним із найнаочніших прикладів є пустельний пил. За сприятливої атмосферної циркуляції мінеральні частинки, підняті над Сахарою, можуть переноситися на північ через Середземне море. За достатньо високої концентрації пустельний пил може стати помітним у вигляді серпанку в небі.
Подібним чином переноситься і дим від лісових пожеж. Залежно від швидкості та напрямку вітру, а також висоти, на яку дим потрапляє в атмосферу, пожежа може впливати на якість повітря далеко від осередку горіння.
Саме тому карта якості повітря стає особливо інформативною, якщо аналізувати її разом із метеорологічними картами. Шлейф підвищеної концентрації твердих частинок показує, де їхній вміст у повітрі є високим, тоді як поля вітру та загальна синоптична ситуація допомагають зрозуміти, звідки надійшла ця повітряна маса та куди вона може переміститися далі.
Початок прогнозу: що зараз міститься в атмосфері?
Щоб спрогнозувати якість повітря на завтра, модель спочатку має якомога точніше оцінити поточний стан атмосфери. Для цього використовується асиміляція даних.
Як і в чисельному прогнозуванні погоди, спостереження поєднуються з модельною інформацією для формування картини поточного стану атмосфери. Дані спостережень надходять як із наземних станцій моніторингу, так і із супутників, надаючи інформацію про гази й аерозолі в різних просторових масштабах.
Станції моніторингу забезпечують прямі вимірювання в конкретних точках, тоді як супутники охоплюють значно більші території. Системи прогнозування поєднують ці спостереження з атмосферними моделями, щоб оцінити поточний розподіл забруднювальних речовин і спрогнозувати, як змінюватимуться їхні концентрації та як вони переміщуватимуться протягом наступних годин і днів.
Один прогноз — багато показників
Не існує єдиного показника, який міг би повністю описати якість повітря. Різні карти дають відповіді на різні запитання.
Загальний індекс якості повітря (CAQI) дає спрощене уявлення про ситуацію. Замість відображення концентрації однієї речовини він об’єднує дані про кілька важливих забруднювачів в індекс, що характеризує загальну фонову якість повітря. meteoblue використовує фоновий CAQI, оскільки атмосферні моделі не можуть відтворювати дуже дрібномасштабні відмінності, які спостерігаються безпосередньо вздовж окремих доріг.
Однак для аналізу конкретної ситуації часто значно інформативніше розглядати окремі компоненти.
PM10 і PM2.5 показують концентрацію твердих частинок. PM10 охоплює частинки діаметром менше 10 мікрометрів, а PM2.5 — дрібнішу фракцію з діаметром 2,5 мікрометра або менше. Їхніми джерелами можуть бути процеси горіння, дим від лісових пожеж, пил, а також частинки, що утворюються внаслідок атмосферних реакцій.
Діоксид азоту (NO₂) значною мірою пов’язаний із процесами горіння. У містах одним із основних джерел NO₂ є автомобільний транспорт. Водночас він може утворюватися і внаслідок природних процесів, зокрема під час грозової активності та лісових пожеж, а також бере участь в атмосферних хімічних реакціях, пов’язаних з утворенням озону.
Діоксид сірки (SO₂) пов’язаний насамперед зі спалюванням і переробкою палива та матеріалів, що містять сірку. В атмосфері сполуки сірки можуть зазнавати подальших хімічних перетворень, сприяючи утворенню твердих частинок та підвищенню кислотності атмосферних опадів.
Монооксид вуглецю (CO) утворюється внаслідок неповного згоряння. Його джерелами можуть бути, зокрема, пожежі та спалювання викопного палива. CO також бере участь у хімічних процесах в атмосфері та опосередковано впливає на концентрації інших газів, зокрема озону й метану.
Озон (O₃) відрізняється від багатьох інших забруднювачів тим, що його підвищені концентрації поблизу земної поверхні формуються переважно внаслідок фотохімічних реакцій, а не прямих викидів. На утворення та перенесення приземного озону впливають температура, сонячне випромінювання, наявність речовин-попередників та атмосферна циркуляція.
Пустельний пил відображає ще одне специфічне джерело аерозолів. Оскільки пил може переноситися на дуже великі відстані, перегляд прогнозу на різних висотах допомагає побачити тривимірну структуру надходження пилових мас.
Ще одним важливим показником є оптична товщина аерозолю (AOD). На відміну від PM2.5 та PM10, які характеризують концентрацію частинок поблизу земної поверхні, AOD показує, наскільки сильно аерозолі послаблюють проходження світла крізь увесь стовп атмосфери. Високі значення AOD можуть бути пов’язані з димом від лісових пожеж, пустельним пилом або антропогенним забрудненням. Цей показник допомагає виявляти великі скупчення та шлейфи аерозолів, однак він не відображає безпосередньо концентрацію частинок у повітрі біля земної поверхні.
Атмосферне прогнозування не обмежується лише забрудненням повітря. Пилок також переноситься в атмосфері. Weather Maps meteoblue містять шари з прогнозами концентрації пилку трав, амброзії, берези та оливи. Пилок може переноситися повітряними потоками на значні відстані, а опади сприяють його видаленню з повітря. Грози можуть ускладнювати ситуацію, оскільки сильний вітер спочатку здатний підвищувати концентрацію пилку в повітрі.
Разом ці шари допомагають зрозуміти, що міститься в повітрі, звідки ці речовини могли надійти та як погодні умови впливають на їхнє переміщення.
Чому локальну якість повітря особливо складно прогнозувати
Забруднення повітря може суттєво відрізнятися навіть на невеликих відстанях. Станція моніторингу поблизу автотраси може фіксувати значно вищу концентрацію NO₂, ніж станція, розташована лише за кілька кілометрів у парковій зоні. На такі відмінності можуть впливати орієнтація вулиць, висота будівель, інтенсивність дорожнього руху, промислові джерела та локальні вітрові умови.
Регіональні атмосферні моделі не здатні відтворити всі ці дрібномасштабні особливості. Вони можуть добре описувати епізод забруднення в межах більшого регіону, тоді як концентрації поблизу шосе, промислового об’єкта чи іншого локального джерела можуть відрізнятися від модельних значень.
Метеорологічні моделі мають подібне обмеження. Вища просторова роздільна здатність дає змогу детальніше відображати локальні умови, однак процеси, що відбуваються на масштабах, менших за розмір комірки модельної сітки, не завжди можуть бути відтворені безпосередньо.
Навіщо використовувати ансамблевий підхід у прогнозуванні якості повітря?
Прогнози якості повітря пов’язані з кількома джерелами невизначеності. Обсяги викидів можуть змінюватися, метеорологічні прогнози також мають певну невизначеність, а різні моделі по-різному відтворюють перенесення забруднювальних речовин, поведінку аерозолів і хімічні процеси в атмосфері.
Ансамблевий підхід, що поєднує кілька моделей, допомагає врахувати ці відмінності. Замість одного прогнозу можна порівнювати або комбінувати результати кількох моделей. Відмінності між ними також дають змогу оцінити рівень невизначеності прогнозу.
Як і у прогнозуванні погоди, жодна модель не демонструє найкращих результатів для всіх забруднювальних речовин, регіонів та атмосферних умов. Якщо прогнози моделей відрізняються, ці розбіжності самі по собі є корисною інформацією та допомагають оцінити рівень впевненості у прогнозі.
Атмосфера як єдина система
Одна з особливостей прогнозування якості повітря полягає в тому, що всі ці показники взаємопов’язані.
Наприклад, прогноз підвищеної концентрації PM2.5 варто аналізувати разом із напрямком вітру, який допомагає зрозуміти можливе походження та подальше переміщення забруднення. Дані про аерозолі можна зіставити з прогнозом пустельного пилу, щоб з’ясувати, чи пов’язане їхнє підвищення з наявністю мінеральних частинок. Концентрацію озону можна аналізувати разом із температурою, сонячним випромінюванням та атмосферною циркуляцією, а прогноз пилку — з даними про вітер та опади.
В атмосфері взаємодіють процеси різного просторового масштабу — від локальних викидів на міських вулицях до пилових бур над Північною Африкою та перенесення диму від лісових пожеж на сотні й навіть тисячі кілометрів.
Сучасні атмосферні моделі враховують ці взаємозв’язки, поєднуючи метеорологічні умови, викиди, хімічні процеси, перенесення забруднювальних речовин і дані спостережень. У результаті можна прогнозувати склад повітря та його зміни протягом наступних годин і днів.
Хочете дізнатися більше про цю тему або поділитися власними спостереженнями? Відвідайте форум спільноти meteoblue, де наші експерти та учасники спільноти продовжують обговорення.
