1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Исследование Земли из Космоса
  4. № 1, 2021

Исследование Земли из Космоса, 2021, № 1, стр. 25-40

Космический мониторинг многолетних природных пожаров и объемов вызываемых ими эмиссий вредных примесей в воздушную среду Австралии

В. Г. Бондур a, *, О. С. Воронова a, К. А. Гордо a, А. Л. Зима a, Н. В. Феоктистова a

a Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга “АЭРОКОСМОС”
Москва, Россия

* E-mail: office@aerocosmos.info

Поступила в редакцию 23.11.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приводятся результаты космического мониторинга природных пожаров и оценки вызываемых ими объемов эмиссий в атмосферу углеродсодержащих газовых примесей СО, СО2 и мелкодисперсного аэрозоля PM2.5 для территории Австралии и отдельных ее регионов за период времени с 2001 по 2020 гг. Наиболее высокие значения площадей, пройденных огнем (более 320 тыс. км2) выявлены в 2001, 2002, 2011 и 2012 гг., а максимальные значения объемов эмиссий вредных примесей – в сентябре 2011 г. Аномально высокие значения площадей пожаров (в 3.5–25.8 раз больше, чем для прошлых лет) были обнаружены в 2019 г. на территории штата Новый Южный Уэльс, которые обусловлены аномально высокими температурами земной поверхности. По данным TROPOMI (спутник Sentinel-5P) установлено, что аэрозольный шлейф от природных пожаров в Австралии, происходивших с 30 декабря 2019 г. по 2 января 2020 г., распространился на расстояние более чем 3000 км.

Ключевые слова: природные пожары, космический мониторинг, эмиссии вредных примесей, аэрозольный индекс

ВВЕДЕНИЕ

Природные пожары являются важным фактором, который изменяет функциональность экосистем (Исаев и др., 1995), оказывая негативное влияние как на состояние растительного покрова (Бондур, Чимитдоржиев, 2008а, б), так и на состояние воздушной среды (Бондур, 2015). Сгорание биомассы при природных пожарах является одним из важнейших естественных источников эмиссий различных газовых примесей и аэрозолей, воздействующих на химический состав атмосферы (Бондур, Гинзбург, 2016). Они влияют на здоровье людей и приводят к неблагоприятным изменениям климата (Kulmala et al., 2015, 2016; Lappalainen et al., 2014, 2016; Matthews et al., 2012; IPCC, 2014).

Важным экологическим последствием природных пожаров является их влияние на запас углерода в лесных экосистемах, а следовательно, и на углеродный баланс атмосферы в целом (Certini, 2005; Pellegrini et al., 2018; Liu et al., 2017). Лесные территории покрывают около 30% поверхности земного шара и хранят примерно 33–46% органического углерода суши (Исаев и др., 1995; Liu et al., 2017). Из-за своей важной роли в сохранении запасов углерода и способности поглощать его из атмосферы леса играют значительную роль в адаптации к глобальному изменению климата и смягчении его последствий (Bonan, 2008; Canadell, Raupach, 2008; IPCC, 2014).

Продукты сгорания биомассы при природных пожарах состоят из многих соединений, основную долю среди которых составляют эмиссии углеродсодержащих газовых примесей (CO, CO2) и мелкодисперсный аэрозоль (Бондур, 2015). При этом углекислый газ CO2, с одной стороны, является основным продуктом сгорания биомассы из-за высокого содержания в ней углерода, а с другой стороны, важнейшим источником климатических изменений. Увеличение концентрации CO2 в атмосфере приводит к дисбалансу климатической системы, в том числе к повышению температуры поверхности планеты, что в свою очередь вызывает рост числа пожаров (Бондур и др., 2016; IPCC, 2014). Угарный газ CO является побочным продуктом неполного сгорания биомассы и в высоких концентрациях присутствует в дыме от природных пожаров (Бондур, 2015; Koppmann et al., 2005). При сгорании биомассы на долю аэрозольных эмиссий приходится 1–7% от общих объемов эмиссий в зависимости от условий горения, однако их роль в теплообмене является одной из основных. Это обусловлено тем, что дымовые частицы оказывают влияние на теплообмен между атмосферой, земной поверхностью и солнечным светом и, следовательно, могут воздействовать на локальную погоду и климат в локальном и глобальном масштабах (Гинзбург и др., 2008).

В целом на планете более 20% загрязнителей поступают в атмосферу в результате природных пожаров (Исаев и др., 1995; Гинзбург и др., 2008). Существенный вклад в этот негативный процесс вносят также природные пожары, происходящие на территории Австралии (Filkov et al., 2020; Desservettaz et al., 2017; Bondur et al., 2020). Австралия является третьим по величине источником глобальных выбросов углеродсодержащих газов и аэрозолей на планете в результате сжигания биомассы (Desservettaz et al., 2017). Благодаря атмосферной циркуляции, вредные примеси, обусловленные этими природными явлениями, распространяются далеко за пределы очагов загрязнения. (Бондур, 2011, 2015; Andreae, Merlet, 2001).

Для территории Австралии природные пожары являются распространенным и регулярным явлением, которое ежегодно наносит значимый ущерб и оказывает влияние на окружающую среду. Ярким примером этого являются, например, аномальные пожары 2019 г. (Bondur et al., 2020; Filkov et al., 2020). Природные пожары в Австралии длятся в течение всего года, однако их интенсивность и сезонность варьируются в зависимости от региона (Dowdy, 2018). Растительный покров территории Австралии, а именно эвкалиптовые леса юго-восточной территории, является значимым источником органического углерода (Bradstock et al., 2012; Desservettaz et al., 2017). Предполагаемый вклад эмиссий, возникающих в результате природных пожаров на территории Австралии, в глобальные выбросы углерода составляет около 8% (Paton-Walsh et al., 2010; Trang et al., 2020).

Это делает особенно важным организацию своевременного мониторинга природных пожаров, в том числе на территории Австралии. Учитывая труднодоступность и значительные пространственные масштабы лесных территорий, наиболее эффективным способом проведения такого мониторинга является использование космических методов и технологий для выявления очагов природных пожаров (Бондур, 2011; Бондур и др., 2016, 2020) и оценки их последствий (Бондур, 2015; Бондур, Гордо, 2018; Бондур и др., 2019 (а, б); Бондур, Чимитдоржиев, 2008 (а, б); Giglio et al., 2016).

Космические данные низкого пространственного разрешения, получаемые со спутников Terra, Aqua, NOAA, Suomi NPP, FengYun-3, Метеор-М и др., являются основными источниками получения оперативной информации об очагах природных пожаров. Использование такого типа спутниковых данных, поступающих с высокой периодичностью, и эффективных методов их обработки (Бондур, 2014) позволяет оперативно выявлять возгорания даже на труднодоступных территориях, что особенно важно для мониторинга природных пожаров и оценки вызываемых ими объемов эмиссий в воздушную среду (Бондур, 2011, 2015; Бондур, Гордо, 2018; Бондур и др., 2016, 2020; Giglio et al., 2016).

В настоящей работе по космическим данным, полученным с различных спутников, оценивались площади, пройденные огнем, объемы эмиссий углеродсодержащих газов (CO, CO2) и мелкодисперсного аэрозоля (PM2.5), обусловленных сгоранием биомассы, на всей территории Австралии и ее отдельных регионов за период времени с 2001 по 2020 гг.

ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

Для мониторинга природных пожаров на территории Австралии в настоящей работе была использована методика, разработанная ранее и описанная в работах (Бондур, 2015; Бондур и др., 2016; Бондур, Гордо, 2018). Оценка площадей выгоревших территорий и выявления изменений границ очагов пожаров при проведении мониторинга природных пожаров производилась по данным приборов MODIS, установленных на борту спутников Terra, Aqua. Анализировались данные за 20-летний период времени (с 2001 по 2020 гг.). Для расчета площадей природных пожаров использовался продукт MOD14 2-го уровня обработки данных с пространственным разрешением 1 км (Giglio et al., 2016).

С учетом особенностей растительного покрова на австралийском континенте, где преобладают эвкалиптовые и влажные тропические леса, сжигание биомассы, вызванное природными пожарами, способствовало возникновению значительных объемов эмиссий различных газовых примесей и аэрозолей в атмосферу. Поэтому в настоящей работе их исследованию уделялось значительное внимание.

Оценка объемов эмиссий малых газовых компонент (CO, CO2 ) и аэрозолей (PM2.5) от природных пожаров проводилась по методу Сейлера–Крутцена (Seiler, Crutzen, 1980), который учитывал площади, пройденные огнем (продукт MOD14), плотность распределения биомассы на данной площади, долю сгоревшей биомассы, а также эмиссионный коэффициент, характеризующий отношение объема эмиссий конкретного вещества к количеству сгоревшей биомассы определенного типа (Seiler, Crutzen, 1980; Бондур, 2015; Бондур и др., 2016). Расчет объемов эмиссий производился путем введения корректирующего коэффициента, полученного для уточнения значения площади территории, пройденной огнем, по космическим данным среднего пространственного разрешения (Бондур, 2015; Бондур, Гинзбург, 2016; Бондур, Гордо, 2018). Значения эмиссионных коэффициентов, соответствующие различным типам сгораемой растительности, в формуле для расчета общей массы вещества (Seiler, Crutzen, 1980; Бондур и др., 2016) обновлены в соответствии с данными, представленными в работах (Wiedinmyer et al., 2011; Akagi et al., 2011).

Определение типов и характеристик растительного покрова на выбранных участках исследуемых территорий осуществлялось с использованием карт, полученных по космическим данным прибора MODIS (спутников Terra и Aqua). Для этого использовался продукт Land Cover Type 1 (MCD12Q1) International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP) Сlassification 6 версии, который представляет собой ежегодные глобальные карты почвенно-растительного покрова (2001–2018 гг.) с пространственным разрешением 500 м (Friedl et al., 2010).

Для исследования сезонных вариаций изменений концентраций оксида углерода (CO) также использовались среднемесячные данные за 2003–2020 гг., полученные с помощью прибора AIRS спутника Aqua (продукт AIRS3STM v006 (Tain et al., 2013)) с пространственным разрешением 1° × 1°.

Анализ содержания аэрозолей осуществлялся на основании данных прибора TROPOMI (спутник Sentinel-5P). Расчет аэрозольного индекса (AI) основан на зависимых от длины волн изменениях в рассеянии Рэлея в УФ-диапазоне спектра для пары длин волн (Ahmad, 2006). Если значения этого индекса положительные, то это указывает на присутствие УФ-поглощающих аэрозолей, таких как пыль и дым. В отличие от измерений оптической толщины аэрозоля, спутниковые измерения аэрозольного индекса можно расчитать также при наличии облаков, что обеспечивает возможность получения ежедневного глобального покрытия. При разработке продукта учитывалось, что индекс AI чувствителен к солнечному блику на поверхностях воды. Поэтому значения пикселов, соответствующих блику над поверхностью воды, отсеивались как ненадежные. Для исследований использовался индекс, рассчитанный с помощью измерений на длинах волн 340 и 380 нм. Пространственное разрешение данных составляет 3.5 × 7 км2 (Apituley et al., 2018).

С использованием данных TROPOMI, полученных с борта спутника Sentinel-5P, были построены ежедневные карты распределения аэрозолей (UVAI), и с их помощью проанализировано распространение аэрозольных шлейфов от природных пожаров, происходивших в Австралии в 2019 и 2020 гг.

Температурные аномалии, которые серьезно влияли на возникновение очагов природных пожаров и их распространение в каждом штате Австралии, исследовались по данным прибора AIRS (спутник Aqua) с использованием продукта AIRS3STM. Для этого анализировались вариации температуры земной поверхности за период времени с 2003 по 2020 гг. Были рассчитаны также превышения среднемесячных значений температуры в 2020 г. по сравнению с прошлыми годами (2003–2019 гг.).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

На рис. 1 приведены примеры синтезированных космических изображений с очагами пожаров и дымовыми шлейфами, полученные с борта спутников Terra и Aqua (прибор MODIS) и с борта спутника Suomi NPP (прибор VIIRS) (https:// firms.modaps.eosdis.nasa.gov, https://ladsweb.modaps. eosdis.nasa.gov). На приведенных изображениях наглядно видны сильные задымления от природных пожаров, зарегистрированных на территориях различных штатов Австралии (Западная Австралия, Квинсленд, Южная Австралия, Новый Южный Уэльс, Северная территория) в различные дни с 2005 по 2020 гг.

Рис. 1.

Очаги природных пожаров и дымовые шлейфы, обнаруженные из космоса в различных штатах Австралии.

На рис. 2 представлены ежегодные значения площадей территорий, пройденных огнем (рис. 2, а), и распределения площадей природных пожаров по месяцам (рис. 2, б), полученные по результатам космического мониторинга природных пожаров на всей территории Австралии за период 2001–2020 гг. Анализ данных, приведенных на рис. 2, а, показал, что наибольшие общие за год площади природных пожаров на всей территории Австралии были обнаружены в 2001 (398.3 тыс. км2), 2002 (324 тыс. км2), 2011 (333.2 тыс. км2) и в 2012 (370.1 тыс. км2) гг.

Рис. 2.

Результаты космического мониторинга площадей природных пожаров на территории Австралии за период 2001–2020 гг.: а – ежегодные распределения площадей природных пожаров; б – распределения площадей природных пожаров по месяцам.

Максимальные значения площадей, пройденных огнем на всей территории Австралии в различные месяцы за период времени с 2001 по 2020 гг., были обнаружены в сентябре 2001 (69.7 тыс. км2) и 2011 (101 тыс. км2) гг., в октябре 2011 (79.6 тыс. км2) и 2012 (85.4 тыс. км2) гг., в ноябре 2006 (69.9 тыс. км2) и 2012 (66.2 тыс. км2) гг., а также в декабре 2019 г. (48.3 тыс. км2).

Из анализа рис. 2, б следует, что наиболее опасная пирогенная активность на территории Австралии наблюдалась с августа по февраль.

По результатам космического мониторинга для данных месяцев за период времени с 2001 по 2020 гг. были построены распределения ежемесячных значений площадей природных пожаров в семи различных штатах Австралии (Западная Австралия WA (а); Новый Южный Уэльс NSW (б); Северная территория NT (в); Южная Австралия SA (г); Виктория VIC (д); Квинсленд QLD (е); Тасмания TAS (ж)), которые представлены на рис. 3.

Рис. 3.

Распределение значений площадей природных пожаров, полученных по данным космического мониторинга, в отдельных регионах Австралии по месяцам за период 2001–2020 гг.: а – в штате Западная Австралия WA; б – в штате Новый Южный Уэльс NSW; в – на Северной территории NT; г – в штате Южная Австралия SA; д – в штате Виктория VIC; е – в штате Квинсленд QLD; ж – в штате Тасмания TAS.

Анализ рис. 3, а показал, что в штате Западная Австралия наибольшее значение площадей, пройденных огнем при природных пожарах, было выявлено в октябре 2012 г. (46 тыс. км2). Высокие значения площадей природных пожаров на территории этого штата были обнаружены также в ноябре 2002 г. (31.2 тыс. км2), 2006 г. (30.6 тыс. км2), 2012 г. (27.6 тыс. км2), а также в октябре 2018 г. (26 тыс. км2). Таким образом, из анализа результатов космического мониторинга следует, что самыми пожароопасными месяцами для данного региона Австралии в исследуемый период времени являются октябрь и ноябрь (см. рис. 3, а).

Анализ рис. 3, б показал, что в штате Новый Южный Уэльс максимально высокие значения площадей природных пожаров были выявлены в декабре (16.1 тыс. км2), а также в ноябре 2019 г. (12 тыс. км2). Высокие значения площадей, пройденных огнем зарегистрированы и в январе 2020 г. (6.1 тыс. км2). Из рис. 3, б следует, что для штата Новый Южный Уэльс 2019 г. характеризуется аномально высокими значениями площадей природных пожаров. Это подтверждают и результаты работы (Bondur et al., 2020).

Из рис. 3, в видно, что для Северной территории Австралии самыми пожароопасными месяцами являются август–ноябрь. При этом самые высокие значения площадей территорий, пройденных огнем, выявлены в сентябре (66.8 тыс. км2) и октябре (36.8 тыс. км2) 2011 г., а также в октябре 2004 г. (39.1 тыс. км2). Анализ рис. 3, в показал, что для данного региона после 2011 г. наблюдается тенденция к снижению значений площадей территорий, пройденных огнем.

Анализ рис. 3, г показал, что в штате Южная Австралия наблюдаются относительно более равномерные распределения значений площадей природных пожаров с максимумами в 2001, 2002, 2011 и 2012 гг. При этом самые высокие значения площадей территорий, пройденных огнем, обнаружены в январе 2001 г. (4.5 тыс. км2), ноябре 2002 г. (4.3 тыс. км2), октябре 2012 г. (2.9 тыс. км2).

Из рис. 3, д видно, что для штата Виктория наиболее подверженными природным пожарам являются месяцы январь, февраль и декабрь, за исследуемый период (2001–2020 гг.). Максимальные значения площадей природных пожаров были выявлены в январе 2003 г. (5.2 тыс. км2) и 2020 г. (4.8 тыс. км2), в декабре 2006 г. (5.4 тыс. км2) и 2018 г. (3.7 тыс. км2).

Анализ рис. 3, е показал, что в штате Квинсленд наибольшие площади территорий, пройденных огнем, были выявлены в октябре 2011 г. (25.6 тыс. км2), ноябре 2001 г. (23.9 тыс. км2) и 2012 г. (20.3 тыс. км2), в декабре 2012 г. (23.2 тыс. км2).

Из анализа рис. 3, ж следует, что в штате Тасмания за исследуемый период времени наибольшие площади природных пожаров в разные годы приходятся на январь, при этом максимальное значение выявлено в 2019 г. (1.1 тыс. км2). Высокие значения площадей, пройденных огнем, зафиксированы также в январе 2003 г. (0.4 тыс. км2), 2013 г. (0.5 тыс. км2), 2016 г. (0.5 тыс. км2) и в декабре 2006 г. (0.1 тыс. км2).

На рис. 4 приведены результаты оценок объемов эмиссий газовых примесей от природных пожаров на всей территории Австралии на примере выбросов CO (а), СО2 (б), а также мелкодисперсных аэрозолей РМ2.5 (в), рассчитанных с учетом ежегодно выгоревших площадей, выявленных по данным космического мониторинга для периода времени с 2001 по 2020 гг. Анализ рис. 4 показал, что экстремально высокие объемы эмиссий в воздушную среду вредных примесей от природных пожаров на территории Австралии за этот период времени были выявлены в сентябре 2011 г.: CO (12.08 млн т), CO2 (308.68 млн т) и PM2.5 (1.58 млн т). При этом в 2012 г. был зафиксирован второй по величине максимум объемов эмиссий от природных пожаров за период исследований, который составил: CO (10.28 млн т), CO2 (490.3 млн т) и PM2.5 (1.2 млн т). В декабре 2019 г. также зафиксированы высокие значения объемов эмиссий CO (10.16 млн т), CO2 (191.9 млн т) и PM2.5 (1.1 млн т).

Рис. 4.

Объемы эмиссий от природных пожаров, произошедших на территории Австралии с января по декабрь в период времени с 2001 по 2020 гг.: а – СО, б – СО2, в – РМ2.5.

На основании результатов анализа ежегодных среднемесячных оценок объемов эмиссий углеродосодержащих примесей и аэрозолей, полученных с использованием данных космического мониторинга, был исследован вклад четырех регионов Австралии с оценкой изменений за 20-летний период. На рис. 5 представлены объемы эмиссий углеродосодержащих примесей и аэрозолей от природных пожаров для штатов (WA–Западная Австралия, NT–Северная территория, QLD–Квинсленд и NSW–Новый Южный Уэльс), вносящих наиболее существенный вклад в суммарные объемы эмиссий вредных примесей в атмосферу для всей территорий Австралии.

Рис. 5.

Распределение вкладов различных штатов Австралии – WA (Западная Австралия), NT (Северная территория), QLD (Квинсленд) и NSW (Новый Южный Уэльс) в эмиссии СО (а), СО2 (б), PM2.5 (в), обусловленные природными пожарами, с августа по февраль, в период времени с 2001 по 2020 гг.

Из рис. 5 следует, что за исследуемый 20-летний период времени в августе месяце вклад Северной территории в эмиссии СО, СО2 и PM2.5 был превалирующим и в отдельные годы превышал 70% от суммарных объемов таких эмиссий для всей территории Австралии. В сентябре месяце максимальный вклад в эмиссии СО, СО2 и РМ2.5 Северная территория обеспечивала в 2007 и 2011 гг., который составлял более 60% от общих австралийских объемов эмиссий. Однако начиная с 2017 г. наблюдалась постепенная тенденция к росту вкладов штатов Западная Австралия, Квинсленд и Новый Южный Уэльс (от 40 до 80%) в общие объемы эмиссий вредных примесей для всего австралийского континента.

Анализ результатов исследований, приведенных на рис. 5, показал, что в октябре месяце рост объемов эмиссий СО, СО2 и PM2.5 на территориях штатов Квинсленд, Западная Австралия и Северная территория происходил фактически синхронно, исключая 2018 г., где вклад Западной Австралии увеличился до 70%. Ноябрь месяц характеризовался практически одинаковым влиянием вкладов объемов эмиссий на территориях штатов Северная территория, Квинсленд, Западная Австралия (от 20 до 40%) с преобладанием высоких значений объемов эмиссий (до 60%) для территории штата Западная Австралия в 2017 и 2018 гг., а также сильным ростом вклада Нового Южного Уэльса (более 70%) в общий объем эмиссий для всей территории Австралии. В декабре наблюдалась аналогичная картина, за исключением выделяющихся максимумов, обусловленных вкладом объемов эмиссий СО, СО2 и PM2.5 для территории штата Квинсленд до 60% в 2005, 2008, 2012 гг. В январе 2008 и 2015 гг. наибольший вклад в объемы эмиссий СО, СО2 и PM2.5 от природных пожаров внес штат Западная Австралия (до 80% от общего объема примесей). В этот период времени выявлен также значительный рост (на 50%) по сравнению с предыдущими годами вклада эмиссий от природных пожаров на территории штата Новый Южный Уэльс.

Пиковые значения объемов эмиссий СО, СО2 и PM2.5 от природных пожаров на территории штата Западная Австралия были выявлены (см. рис. 5) в феврале 2005 и 2007 гг. (до 60%), 2010 г. (более 70%) 2015 г. (до 80%).

Необходимо отметить выявленный в результате проведенных исследований аномальный рост (до 75%) вклада эмиссий СО, СО2 и PM2.5, обусловленных природными пожарами на территории Нового Южного Уэльса, в общий объем австралийских эмиссий с ноября 2019 г. по февраль 2020 г. по сравнению с другими периодами времени. Это связано с аномальными природными пожарами в данный период времени на территории этого штата (Bondur et al, 2020).

Одной из причин увеличения интенсивности природных пожаров и связанных с ними объемов эмиссий вредных примесей в атмосферу Земли является аномальное превышение температуры земной поверхности, которая хорошо регистрируется космическими методами (Бондур, 2011, Бондур и др. 2016).

В настоящей работе по данным прибора AIRS (спутник Aqua) были рассчитаны среднемесячные температуры земной поверхности на территории Австралии за период времени с июля 2019 г. по март 2020 г. Произведено сравнение ежемесячных данных 2019 г. со среднемесячными значениями температуры с 2003 по 2018 гг., а ежемесячных данных 2020 г. со среднемесячными значениями температуры с 2003 по 2019 гг. Пространственные распределения полученных таким образом температурных аномалий представлены на рис. 6. На основании результатов анализа таких температурных аномалий установлено, что с сентября 2019 г. температура поверхности превышала многолетние значения с 2003 по 2018 гг. (на 4.5 К).

Рис. 6.

Изменения ежемесячных температур земной поверхности на территории Австралии в период с июля 2019 г. по март 2020 г. по сравнению прошлыми годами начиная с 2003 г.

Среднемесячная температура земной поверхности на всей территории Австралии в декабре 2019 г. превышала на 6 К (рис. 6) многолетние значения (с 2003 по 2018 гг.). Такая температурная аномалия способствовала увеличению количества природных пожаров в декабре 2019 г. на всей территории Австралии, прежде всего на территории штата Новый Южный Уэльс.

В процессе сильных пожаров на территории этого штата были выявлены и существенные изменения в составе атмосферного воздуха. Для этого с использованием данных, полученных с помощью прибора AIRS (спутник Aqua), сравнивались среднемесячные концентрации угарного газа CO в период с октября по декабрь 2019 г. и с января по март 2020 г. со значениями концентраций CO для этих месяцев, начиная с 2003 г. (рис. 7).

Рис. 7.

Превышение содержания оксида углерода (СО) в период с октября по декабрь 2019 г. (по сравнению с 2003–2018 гг.) и с января по март 2020 г. (в сравнении с 2003–2019 гг.) по среднемесячным данным прибора AIRS (Aqua).

Анализ полученных результатов позволил выявить аномальные концентрации оксида углерода на территории штата Новый Южный Уэльс, начиная с ноября 2019 г. по январь 2020 г. При этом в декабре 2019 г. были зафиксированы максимальные превышения концентрации CO на 9 × 1017 молекул/см2 по сравнению с прошлыми годами (2003–2018 гг.).

Сильные природные пожары на территории штата Новый Южный Уэльс в декабре 2019 г. и январе 2020 г. явились источником выброса в атмосферу большого количества мелкодисперсных частиц, которые, как уже отмечалось выше, могут распространяться на дальние расстояния. Распространение аэрозоля от сжигания биомассы может отслеживается путем регистрации из космоса (Бондур, 2011, 2015), в отличие от наземных измерений, ограниченных в пространстве и времени. Наличие аэрозоля в атмосфере регистрируется с помощью аэрозольного индекса, который вычисляется как отношение измеренного коэффициента отражения верхней части атмосферы в УФ диапазоне спектра и предварительно рассчитанного теоретического коэффициента отражения для атмосферы, в которой присутствует только рэлеевское рассеяние (Zweers Stein, 2018).

По данным TROPOMI (спутник Sentinel-5P) были построены ежедневные карты распределения аэрозолей (UVAI). Четырехдневный композит таких карт, представленный на рис. 8, демонстрирует распространение аэрозольных шлейфов от природных пожаров (с 30 декабря 2019 г. по 2 января 2020 г.) на расстояние более 3000 км к юго-востоку от Австралии. Аэрозольные шлейфы от австралийских природных пожаров 1 и 2 января 2020 г. достигли Новой Зеландии (см. рис. 8) и вызвали серьезные проблемы с качеством воздуха в этом регионе.

Рис. 8.

Усредненные за 4 дня значения аэрозольного индекса (UVAI), полученные по данным TROPOMI (Sentinel-5P).

Изменение концентрации углеродсодержащих газовых компонент и мелкодисперсных аэрозолей, а также отражающей способности атмосферы, вызванных интенсивными природными пожарами на территории Австралии, как и на других пожароопасных территориях, может не только ухудшить качество воздушной среды, приводящее к негативному влиянию на здоровье людей, но и значительно влиять на климат планеты. Кроме того, задымление воздушной среды может приводить к затруднениям в работе авиатранспорта в данном регионе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании анализа результатов многолетнего космического мониторинга природных пожаров, происходивших на территории Австралии, выявлен ряд закономерностей пространственно-временных распределений площадей, пройденных огнем, и объемов, вызываемых пожарами эмиссий углеродсодержащих газов и мелкодисперсных аэрозолей на всей территории континента и его отдельных регионов за период времени с 2001 по 2020 гг.

Установлено, что за этот период времени наиболее опасная пирогенная активность на всей территории Австралии наблюдалась с августа по февраль. Выявлены экстремально высокие значения суммарных площадей, пройденных огнем в 2001 г. (346.8 тыс. км2), 2002 г. (324.0 тыс. км2), которые повторились через 10 лет, в 2011 г. (333.2 тыс. км2) и в 2012 г. (370.1 тыс. км2).

Анализ ежемесячных распределений значений площадей природных пожаров за период времени 2001–2020 гг. позволил выявить самые высокие значения площадей, пройденных огнем в различных штатах Австралии: для Северной территории – в сентябре 2011 г. (66.8 тыс. км2); для Западной Австралии – в октябре 2012 г. (46 тыс. км2); для Квинсленда – в октябре 2011 г. (25.6 тыс. км2); для Виктории в январе 2003 г. (5.2 тыс. км2); для Южной Австралии – в январе 2001 г. (4.5 тыс. км2); для Тасмании – в январе 2019 г. (1.1 тыс. км2). В 2019 г. на территории штата Новый Южный Уэльс обнаружены аномально высокие значения площадей природных пожаров в сентябре и декабре (16.1 тыс. км2).

На основании спутниковых данных проанализированы ежегодные среднемесячные оценки объемов эмиссий углеродосодержащих газовых примесей (СО, СО2) и мелкодисперсных аэрозолей (PM2.5) в атмосферу за 20-летний период для четырех регионов, вносящих наиболее существенный вклад в суммарные объемы эмиссий для всей территорий Австралии. Установлено, что штат Новый Южный Уэльс, характеризующийся сравнительно небольшими ежегодными площадями выгоревших территорий в период времени с 2001 по 2018 гг., внес аномально высокий вклад (до 70%) в период с ноября 2019 г. по февраль 2020 г. в общие объемы эмиссий СО, СО2 и PM2.5 от природных пожаров для всего Австралийского континента.

Анализ изменения газового состава атмосферы на территории штата Новый Южный Уэльс, выполненный по данным прибора AIRS (спутник Aqua), позволил выявить аномально высокие значения концентрации СО в декабре 2019 г., которая превышала на 9 × 1017 молекул/см2 данные, зарегистрированные в 2003–2018 гг.

По данным прибора AIRS (спутник Aqua) в декабре 2019 г. практически на всей территории Австралии было выявлено аномальное превышение температуры земной поверхности (по сравнению с данными 2003–2019 гг.), в том числе и на территории штата Новый Южный Уэльс, где превышение значений температур достигали 6К, которые привели к аномальному увеличению числа и интенсивности природных пожаров и их быстрому распространению на территории этого штата.

На основании данных аппаратуры TROPOMI (спутник Sentinel-5P) установлено, что шлейф аэрозолей от аномальных природных пожаров, происходивших на территории австралийского штата Новый Южный Уэльс в декабре 2019 г. и январе 2020 г., распространился в юго-восточном направлении на расстояние более чем 3000 км и достигал Новой Зеландии.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности использования космических данных для оценки пространственно-временной изменчивости очагов возгорания, площадей, пройденных огнем, и объемов эмиссий вредных примесей в атмосферу от природных пожаров. Эти данные важны для проведения исследований изменения состояния растительного покрова, оценки негативного воздействия последствий пожаров на качество воздуха, влияющего на здоровье людей, а также на климат планеты.

Список литературы

  1. Бондур В.Г. Космический мониторинг природных пожаров в России в условиях аномальной жары 2010 г. // Исслед. Земли из космоса. 2011. № 3. С. 3–13.

  2. Бондур В.Г. Космический мониторинг эмиссий малых газовых компонент и аэрозолей при природных пожарах в России // Исслед. Земли из космоса. 2015. № 6. С. 21–35. https://doi.org/10.7868/S0205961415060032

  3. Бондур В.Г. Современные подходы к обработке больших потоков гиперспектральной и многоспектральной аэрокосмической информации // Исслед. Земли из космоса. 2014. № 1. С. 4–16. https://doi.org/10.7868/S0205961414010035

  4. Бондур В.Г., Воронова О.С., Черепанова Е.В., Цидилина М.Н., Зима А.Л. Пространственно-временной анализ многолетних природных пожаров и эмиссий вредных газов и аэрозолей в России по космическим данным // Исслед. Земли из космоса. 2020. № 4. С. 3–17. https://doi.org/10.31857/S0205961420040028

  5. Бондур В.Г., Гинзбург А.С. Эмиссия углеродсодержащих газов и аэрозолей от природных пожаров на территории России по данным космического мониторинга // Докл. АН. 2016. Т. 466. № 4. С. 473–477. https://doi.org/10.7868/S0869565216040186

  6. Бондур В.Г., Гордо К.А. Космический мониторинг площадей, пройденных огнем, и объемов эмиссий вредных примесей при лесных и других природных пожарах на территории Российской Федерации // Исслед. Земли из космоса. 2018. № 3. С. 41–55. https://doi.org/10.7868/S020596141803003X

  7. Бондур В.Г., Гордо К.А., Кладов В.Л. Пространственно-временные распределения площадей природных пожаров и эмиссий углеродсодержащих газов и аэрозолей на территории северной Евразии по данным космического мониторинга // Исслед. Земли из космоса. 2016. № 6. С. 3–20. https://doi.org/10.7868/S0205961416060105

  8. Бондур В.Г., Цидилина М.Н., Кладов В.Л., Гордо К.А. Аномальная изменчивость пространственно-временных распределений природных пожаров и эмиссий вредных примесей на территории Европы по данным космического мониторинга // Докл. АН. 2019а. Т. 485. № 6. С. 745–749. https://doi.org/10.31857/S0869-56524856745-749

  9. Бондур В.Г., Цидилина М.Н., Черепанова Е.В. Космический мониторинг воздействия природных пожаров на состояние различных типов растительного покрова в федеральных округах Российской Федерации // Исслед. Земли из космоса. 2019б. № 3. С. 13–32. https://doi.org/10.31857/S0205-96142019313-32

  10. Бондур В.Г., Чимитдоржиев Т.Н. Анализ текстуры радиолокационных изображений растительности // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2008a. № 5. С. 9–14.

  11. Бондур В.Г., Чимитдоржиев Т.Н. Дистанционное зондирование растительности оптико-микроволновыми методами // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2008б. № 6. С. 64–73.

  12. Гинзбург А.С., Губанова Д.П., Минашкин В.М. Влияние естественных и антропогенных аэрозолей на глобальный и региональный климат // Рос. хим. журн. 2008. Т. LII. № 5. С. 113–117.

  13. Исаев А.С., Коровин Г.Н., Сухих В.И. Экологические проблемы поглощения углекислого газа посредством лесовосстановления и лесоразведения в России: Аналитический обзор. М.: Центр экологической политики России, 1995. 155 с.

  14. Томшин О.А., Протопопов А.В., Соловьев В.С. Исследование вариаций атмосферного аэрозоля и угарного газа в области лесных пожаров // Соврем. пробл. дист. зондир. Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 1. С. 145–150.

  15. Ahmad S.P., Torres O., Bhartia P., Leptoukh G., Kempler S. Aerosol index from TOMS and OMI measurements // 86th AMS Annual Meeting. 2006. 5 p.

  16. Akagi S.K., Yokelson R.J., Wiedinmyer C., Alvarado M.J., Reid J.S., Karl T., Crounse J.D., Wennberg P.O. Emission factors for open and domestic biomass burning for use in atmospheric models // Atmos. Chem. Phys., 2011. № 11. P. 4039–4072.https://doi.org/10.5194/acp-11-4039-2011

  17. Apituley A., Pedergnana M., Sneep M., Veefkind J.P., Loyola D., Stein Zweers D. Sentinel-5 precursor/TROPOMI Level 2 Product User Manual UV Aerosol Index. 2018, 118 p.

  18. Bonan G.B. Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. N.Y.: Science, 2008. V. 320(5882). P. 1444–1449. https://doi.org/10.1126/science.1155121

  19. Bondur V.G., Gordo K.A., Voronova O.S. and Zima A.L. Satellite Monitoring of Anomalous Wildfires in Australia // Front. Earth Sci. 2021. 8:617252.https://doi.org/10.3389/feart.2020.617252

  20. Bradstock R.A., Boer M.M., Cary G.J., Price O.F., Williams R.J., Barrett D., Cook G., Gill A.M., Hutley L.B.W., Keith H., Maier S.W., Meyer M., Roxburgh S.H., Russell-Smith J. Modelling the potential for prescribed burning to mitigate carbon emissions from wildfires in fire-prone forests of Australia // Int. J. Wildland Fire. 2012. V. 21. P. 629–639. https://doi.org/10.1071/WF11023

  21. Canadell J.G., Raupach M.R. Managing forests for climate change mitigation. N.Y.: Science, 2008. V. 320(5882). P. 1456–1457. https://doi.org/10.1126/science.1155458

  22. Certini G. Effects of fire on properties of forest soils: a review // Oecologia. 2005. V. 143. P. 1–10.https://doi.org/10.1007/s00442-004-1788-8

  23. Desservettaz M. et al. Emission factors of trace gases and particles from tropical savanna fires in Australia // J. Geophys. Res. Atmos. 2017. V. 122. P. 6059–6074. https://doi.org/10.1002/2016JD025925

  24. Virgilio Di, G., Evans J.P., Blake S.A.P., Armstrong M., Dowdy A.J., Sharples J., McRae R. Climate change increases the potential for extreme wildfires // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 8517–8526. https://doi.org/10.1029/2019GL083699

  25. Dowdy A.J. Climatological Variability of Fire Weather in Australia // J. Appl. Meteor. Climatol. 2018. V. 57. P. 221–234. https://doi.org/10.1175/JAMC-D-17-0167.1

  26. Filkov A., Ngo T., Matthews S., Telfer S., Penman T. Impact of Australia’s catastrophic 2019/20 bushfire season on communities and environment. Retrospective analysis and current trends // J. of Safety Science and Resilience. 2020. https://doi.org/10.1016/j.jnlssr.2020.06.009

  27. Friedl M.A., Sulla-Menashe D., Tan B., Schneider A., Ramankutty N., Sibley A., Huang X. MODIS Collection 5 global land cover: Algorithm refinements and characterization of new datasets // Remote Sensing of Environment, 2010. V. 114. P. 168–182.

  28. Giglio L., Schroeder W., Justice C.O. The collection 6 MODIS active fire detection algorithm and fire products // Remote Sensing of Environment. 2016. V. 178. P. 31–41. https://doi.org/10.1071/WF03054

  29. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. Geneva, Switzerland: IPCC, 151 p.

  30. Koppmann R., Czapiewski K., Reid Jeffrey. A review of biomass burning emissions, Part I: Gaseous emissions of carbon monoxide, methane, volatile organic compounds, and nitrogen containing compounds // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2005. V. 5. https://doi.org/10.5194/acpd-5-10455-2005

  31. Kulmala M., Lappalainen H.K., Petaja T., Kurten T., Kerminen V. M., Viisanen Y., Hari P., Sorvari S., Back J., Bondur V., Kasimov N., Kotlyakov V., Matvienko G., Baklanov A., Guo H.D., Ding A., Hansson H.-C., Zilitinkevich S. Introduction: The Pan-Eurasian Experiment (PEEX) – multidiscipl inary, multiscale and multicomponent research and capacity-building initiative // Atm. Chem. Phys. 2015. № 15. P. 13085–13096.https://doi.org/10.5194/acp-15-13085-2015

  32. Kulmala M., Lappalainen H.K., Petaja T., Kerminen V.-M., Viisanen Y., Matvienko G., Melnikov V., Baklanov A., Bondur V., Kasimov N., Zilitinkevich S. Pan-Eurasian Experiment (PEEX) Program: grand challenges in the Arctic-Boreal context // Geography. Environment. Sustainability. 2016. № 2(9). P. 5–18. https://doi.org/10.15356/2071-9388_02v09_2016_01

  33. Lappalainen H., Petäjä T., Kujansuu J., Kerminen V., Skorokhod A., Kasimov N., Bondur V. et al. Pan Eurasian Experiment (PEEX) – a research initiative meeting the grand challenges of the changing environment of the northern pan-eurasian arctic- boreal areas // Geography. Environment. Sustainability. 2014. № 2(7). P. 13–48.

  34. Lappalainen H.K., Kerminen V.-M., Petäjä T., Kurten T., Baklanov A., Shvidenko A., …. Kulmala M.: Pan-Eurasian Experiment (PEEX): Towards a holistic understanding of the feedbacks and interactions in the land–atmosphere–ocean–society continuum in the Northern Eurasian region, Atmos. Chem. Phys., 2016. V. 16. P. 14421–14461.https://doi.org/10.5194/acp-16-14421-2016

  35. Liu W., Lu F., Luo Y., et al. Human influence on the temporal dynamics and spatial distribution of forest biomass carbon in China // Ecol Evol. 2017. V. 7. P. 6220–6230. https://doi.org/10.1002/ece3.3188

  36. Matthews S., Sullivan A.L., Watson P., Williams R.J. Climate change, fuel and fire behaviour in a eucalypt forest // Glob. Change Biol. 2012. V. 18. P. 3212–3223.https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2012.02768.x

  37. Paton Walsh C., Deutscher N.M., Griffith D.W.T., Forgan B.W., Wilson S.R., Jones N.B., Edwards D.P. Trace gas emissions from savanna fires in northern Australia // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. P. D16314. https://doi.org/10.1029/2009JD013309

  38. Pellegrini A., Ahlström A., Hobbie S. et al. Fire frequency drives decadal changes in soil carbon and nitrogen and ecosystem productivity // Nature. 2018. V. 553. P. 194–198. https://doi.org/10.1038/nature24668

  39. Seiler W., Crutzen P.J. Estimates of gross and net fluxes of carbon between the biosphere and atmosphere from biomass burning // Clim. Change. 1980. V. 2. № 3. P. 207–247.

  40. Tian B., Manning E., Fetzer E., Olsen E., Wong S., Susskind J. et al. “AIRS/AMSU/HSB version 6 level 3 product user guide” Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA), Tech Rep, 2013.

  41. Wiedinmyer C., Akagi S.K., Yokelson R.J., Emmons L.K., Al-Saadi J.A., Orlando J.J., Soja A.J. The Fire INventory from NCAR (FINN): a high resolution global model to estimate the emissions from open burning // Geosci. Model Dev. № 4. P. 625–641. https://doi.org/10.5194/gmd-4-625-2011

  42. Zweers Stein D.C. Algorithm Theoretical Baseline Document for Sentinel-5 Precursor of the UV Aerosol Index // SRON. 2018. 30 p.

  43. https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov

  44. https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Исследование Земли из Космоса

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал