Các nhà khoa học truy cập dữ liệu viễn thám của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) để theo dõi khói lửa, đánh giá tình trạng ô nhiễm không khí do khí thải ô tô gây ra đồng thời phối hợp giám sát chất lượng không khí các bang trên khắp nước Mỹ.
Xây dựng mạng lưới quan trắc không khí
Các loại khí vô hình bao gồm nitrogen dioxide, sulfur dioxide, carbon monoxide và ozone ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và các vệ tinh cung cấp phương tiện tốt nhất để theo dõi các chất ô nhiễm trong khí quyển. NASA duy trì chòm sao vệ tinh quan sát Trái đất lớn nhất thế giới, dữ liệu được cung cấp miễn phí cho công chúng. Bất chấp sức mạnh của những đôi mắt đó trên bầu trời, nhiều người dùng tiềm năng dữ liệu vệ tinh của NASA không biết cách sử dụng chúng hoặc thậm chí có thể không nhận thức được sự tồn tại của chúng.
Để xây dựng một cộng đồng người dùng dữ liệu rộng hơn, NASA gần đây đã đưa ra một sáng kiến 3 năm được gọi là Nhóm Khoa học Ứng dụng Chất lượng không khí và Sức khỏe (HAQAST), do nữ giáo sư Tracey Holloway của Đại học Wisconsin – Madison (Mỹ) đứng đầu. Mục tiêu là đưa các công cụ và dữ liệu vệ tinh liên quan của NASA vào tay các cộng đồng giám sát chất lượng không khí và sức khỏe cộng đồng. Thời đại của viễn thám bắt đầu với một bức ảnh được chụp từ khinh khí cầu vào năm 1858. Khi con người bay lên bầu trời, khoa học giám sát hành tinh cũng cất cánh như vậy.
Năm 1960, NASA phóng TIROS 1, vệ tinh thời tiết đầu tiên trên thế giới. 18 năm sau, cơ quan này tiếp tục triển khai Nimbus 7, bao gồm Máy quang phổ ánh xạ tổng Ozone (TOMS) – thiết bị vệ tinh đầu tiên để đo các giá trị ozone. Nhu cầu giám sát không khí toàn diện gia tăng vào năm 1970 khi Quốc hội Mỹ thông qua các sửa đổi tăng cường Đạo luật Không khí Sạch – một đạo luật được thiết kế để kiểm soát ô nhiễm không khí ở cấp quốc gia. Đây là một trong những luật môi trường hiện đại đầu tiên và có ảnh hưởng nhất của Mỹ, cũng như là một trong những luật chất lượng không khí toàn diện nhất trên thế giới. Kể từ đó, Mỹ đã xây dựng một mạng lưới lớn các thiết bị tiên tiến giám sát tình trạng ô nhiễm không khí trên mặt đất.
Những công cụ này đã mang lại những cải tiến lớn về chất lượng không khí trong 5 thập niên qua, đặc biệt là đối với 6 chất gây ô nhiễm được quy định theo Tiêu chuẩn Chất lượng Không khí Xung quanh Quốc gia (NAAQS): SO2, NO2, CO, O3, chất hạt và chì. Các màn hình trên mặt đất vẫn là tiêu chuẩn vàng để phát hiện sự phơi nhiễm của con người với các chất gây ô nhiễm NAAQS và do đó có thể theo dõi chính xác những gì trong không khí mà mọi người hít thở. Nhưng các công cụ này đắt tiền và bị giới hạn về mặt không gian. Kết quả là, phần lớn khu vực địa lý của Mỹ – không đề cập đến thế giới – không quan sát được.
Ví dụ: mặc dù NO2 – làm nặng thêm các vấn đề về hô hấp và góp phần hình thành các hạt vật chất, mưa axit và O3 – được theo dõi ở nhiều khu vực đô thị và đặc biệt là ở những nơi có nguy cơ vượt quá NAAQS, song toàn bộ bang Idaho chỉ có một màn hình. Trong khi đó, bang Nebraska ở miền Trung nước Mỹ không có màn hình. Đối với NO2 và các chất gây ô nhiễm khác, dữ liệu vệ tinh có thể bổ sung cho các màn hình trên mặt đất để cung cấp đầy đủ hơn bức tranh về xu hướng và sự biến đổi không gian của chúng.
Tuy nhiên, vệ tinh vẫn không thể thay thế màn hình trên mặt đất bởi vì chúng chỉ có thể giúp phát hiện ra các chất ô nhiễm nhất định – chẳng hạn như O3 ở mặt đất. Các màn hình thường phát hiện sự ô nhiễm trong toàn bộ cột không khí giữa vệ tinh và mặt đất, thay vì nồng độ gần bề mặt mà chúng ta hít thở.
Và bởi vì hầu hết các vệ tinh môi trường đều có quỹ đạo cực, chúng chỉ cung cấp các giá trị chụp nhanh cho bất kỳ vị trí nào, thường là một lần một ngày hoặc ít hơn. Tuy nhiên, khi được sử dụng kết hợp với màn hình trên mặt đất và các mẫu tiên tiến, các vệ tinh có thể khuếch đại sức mạnh giám sát chất lượng không khí hiện có nhiều lần. Trong 20 năm qua, Hệ thống quan sát Trái đất (EOS) của NASA đã sử dụng một bộ công cụ dựa trên không gian để theo dõi mọi thứ từ hơi nước trong khí quyển và nhiệt độ toàn cầu đến khói và thực vật phù du đại dương.
Đưa dữ liệu vào sử dụng
Để giúp tạo điều kiện chuyển giao dữ liệu và kiến thức của NASA cho những người làm việc tại giao lộ về sức khỏe cộng đồng và chất lượng không khí, các thành viên HAQAST hợp tác với nhiều bên liên quan khác nhau để xác định các vấn đề nghiên cứu về sức khỏe cộng đồng và chất lượng không khí cấp bách nhất có thể được thông báo bởi dữ liệu vệ tinh. Tại Georgia Tech, các thành viên của HAQAST như Ted Russell và Talat Odman đang hướng tới một dự án nhằm cung cấp dữ liệu vệ tinh liên quan đến khói lửa, nguồn vật chất hạt mịn lớn nhất ở miền đông nam nước Mỹ.
Các hạt có đường kính nhỏ hơn 2,5 micromét có liên quan đến tử vong sớm do các bệnh tim mạch và có thể kích hoạt hoặc khuếch đại các triệu chứng của một loạt các bệnh về đường hô hấp. Chúng dễ dàng bay trên không và có thể trôi dạt đến khu vực ngoại ô hoặc thành thị. Với các vụ cháy rừng đang gia tăng, nhu cầu đo đạc chính xác các hạt mịn ở vùng đông nam nước Mỹ chỉ được theo dõi một cách thưa thớt là rất cấp thiết.
Russel và Odman sử dụng dữ liệu vệ tinh được cùng cấp từ các thiết bị MODIS, VIIRS và GOES của NASA để giúp xác định chính xác vị trí của các đám cháy đồng thời nắm bắt độ cao của các đám khói. Những dữ liệu đó cung cấp cho các mô hình của Russell và Odman để cải thiện những dự báo khói, cho cả các thành phố và khu vực nông thôn không có hệ thống giám sát mặt đất riêng. Frank Freedman và các đồng nghiệp Đại học bang San Jose cũng kết hợp dữ liệu vệ tinh hàng ngày từ thiết bị cảm biến vệ tinh MODIS của NASA với dữ liệu giám sát mặt đất và các mô hình máy tính mạnh mẽ để cung cấp các ước tính về ô nhiễm không khí.
Nhóm nghiên cứu đang phát triển một ứng dụng dựa trên web cho phép xây dựng lại lịch sử ô nhiễm không khí ở quy mô hiệu quả. Chẳng hạn, ứng dụng có thể cung cấp mức trung bình hàng ngày hoặc thậm chí hàng giờ của các trường ô nhiễm không khí lịch sử xung quanh các tuyến đường chính. Freedman dự kiến phiên bản beta của ứng dụng sẽ có sẵn cho công chúng vào đầu năm 2019, với phiên bản đầu tiên được hoàn thiện ra mắt vào đầu thập niên tới. Tính linh hoạt cũng là trung tâm của nhiệm vụ HAQAST.
Các tổ chức đối tác mà HAQAST phục vụ, bao gồm các cơ quan hàng không nhà nước, sở y tế thành phố và đội phản ứng chữa cháy, cần thông tin để hỗ trợ các nhu cầu được nhắm mục tiêu và ngay lập tức. Nhiều dự án đòi hỏi chuyên môn từ nhiều thành viên của HAQAST, những người có thể tham gia lực lượng để có tác động tối đa. Sự hợp tác như vậy được gọi là các Đội Tiger.
Nữ giáo sư Arlene Fiore – ở Đài quan sát Trái đất Doherty của Đại học Columbia hợp tác với 3 cơ quan chất lượng không khí nhà nước – đang lãnh đạo một Đội Tiger sẽ giúp các bang kết hợp dữ liệu vệ tinh vào quy trình lập kế hoạch chất lượng không khí được yêu cầu ở các khu vực vượt quá các giới hạn NAAQS. Mặc dù một số cơ quan hàng không là nơi sử dụng dữ liệu vệ tinh thường xuyên, những tổ chức khác thiếu các tài nguyên cần thiết để đào tạo nhân viên để đánh giá sự phù hợp của các sản phẩm vệ tinh.
Các câu hỏi thường được đặt ra về các điều kiện và thang đo khí tượng và trong đó dữ liệu vệ tinh là hữu ích nhất, cũng như độ chính xác chung của dữ liệu. Đội ngũ Fiore sẽ hợp tác với các quốc gia sử dụng dữ liệu vệ tinh để tạo ra một bộ câu hỏi thường gặp, thực tiễn tốt nhất và nghiên cứu trường hợp có thể hướng dẫn người dùng tiềm năng khác khi họ tìm hiểu các kiến thức cơ bản về áp dụng dữ liệu vệ tinh cho các vấn đề chất lượng không khí.
Các dự án như của Fiore, minh họa cho tiềm năng khai thác dữ liệu vệ tinh mà NASA đã thu thập trong nhiều thập niên. Hy vọng là trong những năm tới, các đối tác của HAQAST sẽ đưa dữ liệu đó vào sử dụng tốt để giải quyết các vấn đề quan trọng liên quan đến môi trường.
