Покращення моніторингу якості повітря під час загрози лісових пожеж

Автор: Клаудія Лопес Льореда | Оновлено 15 серпня 2025 року
У червні 2025 року небосхил Нижнього Манхеттена знову забарвився в червоний колір через дим від лісових пожеж у канадських бореальних лісах, який накрив Північний Схід США. З посиленням мегапожеж, викликаних змінами клімату, традиційна інфраструктура моніторингу якості повітря в США зазнає безпрецедентного тиску.
Зміна динаміки контролю забруднення повітря
У 2015 році Трейсі Голлоуей, атмосферна науковиця з Університету Вісконсин-Медісон, відзначала десятиліття зменшення викидів від промисловості та автомобілів по всій країні. Однак за останні три літа дим від лісових пожеж періодично підвищував концентрацію PM2.5 вище 150 мкг/м³ — рівнів, які Агентство з охорони навколишнього середовища (EPA) класифікує як «нездорові» або навіть «небезпечні».
“Дим від лісових пожеж знищує досягнення, яких ми добилися в контролі забруднювачів,” попереджає Нга Лі “Саллі” Нг, дослідниця аерозолів з Технологічного інституту Джорджії.
Спадкова інфраструктура та нові прогалини
З моменту ухвалення Закону про чисте повітря у 1970 році мережа з 4,821 монітора Федерального референтного методу (FRM) відстежує забруднювачі, такі як озон (O3), діоксид азоту (NO2), діоксид сірки (SO2), оксид вуглецю (CO) та частинки (PM). Однак вартість кожного FRM становить близько 50,000 доларів плюс 5,000 доларів на рік на обслуговування, тому агенції розміщують їх переважно в урбанізованих районах та в місцях з відомими промисловими викидами.
- 59% округів США, де проживає понад 50 мільйонів людей, не мають жодної станції FRM.
- 120 мільйонів американців живуть в округах без моніторів PM2.5, згідно з даними Reuters (2024).
- Штати в сільських районах Півдня та Середнього Заходу мають непропорційно низький рівень обслуговування.
Ці «пустелі якості повітря» залишають громади нездатними виявляти раптові сплески токсичних металів — свинцю від горіння будівель і транспортних засобів, ртуті з біомасових палив — та летючих органічних сполук (ЛОС) у димі від лісових пожеж.
Розширене покриття: мережі недорогих сенсорів
Щоб заповнити прогалини, державні та місцеві органи влади впроваджують оптичні лічильники часток та електрохімічні сенсори, вартість яких коливається від 200 до 1,000 доларів за одиницю. Наприклад, Ініціатива моніторингу повітря в Нью-Йорку експлуатує 200 недорогих сенсорів PurpleAir, відкаліброваних у порівнянні з FRM, які здійснюють моніторинг PM2.5 у реальному часі з інтервалом у 1 хвилину.
“Дані, отримані від громади, покращують просторову роздільну здатність до 500 метрів,” зазначає Мері Уль, Західна рада з ресурсів повітря.
Супутниковий моніторинг та геопросторова аналітика
Космічні прилади, такі як TROPOMI від ESA та TEMPO — геостаціонарний спектрометр NASA, тепер картографують NO2 та оптичну глибину аерозолів (AOD) з роздільною здатністю 5×3 км по всій Північній Америці щогодини. Аналітики інтегрують ці вимірювання з наземними даними, використовуючи асиміляцію даних в моделі HRRR-Smoke NOAA, створюючи 3D-прогнози димових хмар на термін до 60 годин.
- Високоякісний LIDAR на CALIPSO профілює висоти димових шарів.
- Алгоритми злиття на основі ШІ зменшують супутникову AOD до поверхневого PM2.5.
Розділ: Моделі прогнозування диму на основі ШІ
Досягнення в галузі машинного навчання дозволяють швидко прогнозувати розсіювання диму. Дослідники з UC San Diego розробили конволюційну нейронну мережу, навчена на історичних даних про радіаційну потужність вогню MODIS та VIIRS. Модель прогнозує перевищення PM2.5 з точністю 85% за 48 годин наперед, перевершуючи традиційні моделі Гауссового диму.
“ШІ може вивчати складні взаємодії між метеорологією, топографією та поведінкою вогню,” пояснює доктор Ендрю Голбрук, відділ якості повітря NOAA.
Розділ: Хмарна агрегація даних та аналітика
Хмарні платформи, такі як AWS IoT та Google Cloud Pub/Sub, обробляють мільйони показань сенсорів щодня. Використовуючи безсерверні архітектури та аналітику в стилі BigQuery, агенції можуть виконувати виявлення аномалій у реальному часі, щоб виявляти сплески PM2.5 або CO. Інтерактивні панелі, створені з Grafana, дозволяють представникам охорони здоров’я накладати дані про госпіталізації та закриття шкіл на карти забруднення.
Розділ: Датчики якості повітря нового покоління
Новітнє обладнання використовує лазерне розсіювання з детекцією на кількох довжинах хвиль, щоб одночасно характеризувати PM1, PM2.5 та PM10. Стартапи, такі як AeroPhotonics, розробляють спектрометри на основі MEMS для виявлення чорного вуглецю та органічної частки в димі. Польові випробування під час лісової пожежі Діксі в Каліфорнії у 2025 році показали 95% кореляцію з аналізаторами TEOM референсного класу.
Рекомендації для стійкої мережі моніторингу
- Розширити мережі недорогих сенсорів в обслуговуваних округах, зосередившись на зонах екологічної справедливості.
- Інтегрувати прогнози на основі ШІ та супутникові дані у робочі процеси державних агентств з якості повітря.
- Інвестувати в датчики нового покоління, здатні до хімічної специфікації PM2.5 та ЛОС.
- Стандартизувати протоколи калібрування між FRM та сенсорами громади.
Незважаючи на безпрецедентні виклики, які ставлять лісові пожежі, поєднання високоякісних моніторів, даних, отриманих від громади, супутникових спостережень та аналітики на основі ШІ пропонує шлях до справедливих, своєчасних даних про якість повітря та кращого захисту громадського здоров’я.
Спочатку опубліковано на Undark. Оновлено з урахуванням останніх розгортань сенсорів, моделей ШІ та можливостей супутників.