Monitoring Air Pollution Dynamics of NO2 and SO2 in Sri Lanka Using Sentinel-5P from 2019 to 2024

يعد تلوث الهواء قوة صامتة وغير مرئية تشكل صحة المدن واستقرار النظم البيئية، ومع ذلك، نفتقر في أجزاء كثيرة من العالم إلى الأدوات التي تمكننا من رؤيته بوضوح. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على المحطات الأرضية لقياس الهواء الذي نتنفسه، لكن هذه الأجهزة المادية باهظة الثمن من حيث البناء والصيانة، مما ترك مناطق شاسعة من العالم دون بيانات. وفي السنوات الأخيرة، برز منظور جديد من الفضاء؛ إذ يمكن للأقمار الصناعية المزودة بأدوات حساسة أن ترصد عبر الغلاف الجوي غازات محددة، مثل ثاني أكسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت، والتي تنبعث من السيارات والمصانع ومحطات الطاقة. وهذه الغازات ليست مجرد إزعاجات محلية، بل هي مقدمات لتكون الأمطار الحمضية والجسيمات الدقيقة التي تضر برئة الإنسان. إن فهم أماكن تجمع هذه الملوثات وكيفية تحركها أمر ضروري لحماية الصحة العامة، لكن القيام بذلك في البلدان التي تفتقر إلى عدد كافٍ من أجهزة الرصد الأرضية كان يمثل تحدياً كبيراً.

لقد حول فريق من الباحثين من سريلانكا هذا التحدي إلى فرصة من خلال استخدام نافذة زمنية مدتها ست سنوات من بيانات الأقمار الصناعية لرسم خريطة لجودة الهواء عبر جزيرتهم بأكملة. فبين عامي 2019 و2024، استفاد الفريق من ملاحظات القمر الصناعي "سنتينل-5 بي" (Sentinel-5P)، وهو مركبة فضائية تدور حول الأرض وتحمل جهازاً قادراً على قياس الغازات الجوية كل يوم. ومن خلال دمج صور الأقلة الصناعية هذه مع نظم المعلومات الجغرافية، وهي نوع من البرمجيات التي تنظم البيانات حسب الموقع، أنشأ الفريق صورة تفصيلية شهرية لمستويات ثاني أكسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت عبر جميع المناطق الإدارية الخمس والعشرين في سريلانكا. وتكشف أعمالهم عن قصة كيفية تفاعل النشاط البشري وأنماط الطقس لتشكيل الهواء الذي نتنفسه، مما يقدم نموذجاً منخفض التكلفة لمراقبة التلوث في المناطق التي تندر فيها محطات الرصد الأرضية.

كشفت الدراسة عن نمط واضح ومستمر لثاني أكسيد النيتروجين، وهو غاز ينتج بشكل أساسي عن عوادم المركبات والاحتراق الصناعي. وقد وُجدت أعلى التركيزات على طول الممر الساحلي الغربي، وهو شريط أرضي مكتظ بالسكان يضم العاصمة كولومبو والمناطق المجاورة لها مثل غامباها وكالوتارا. وهنا، أظهرت بيانات الأقام الصناعية مستويات تصل باستمرار إلى ما بين 3 و5 أجزاء في المليار، وهو مقياس لعدد جزيئات هذا الغاز الموجودة في حجم معين من الهواء. هذا الممر هو قلب التوسع الحضري وحركة المرور في سريلانكا، وتؤكد البيانات أن كثافة السيارات والصناعة هي المحرك الرئيسي للتلوث. وفي المقابل، أظهرت الأجزاء الشمالية والشرقية من الجزيرة، وهي مناطق أقل تطوراً وبها عدد أقل من المركبات، مستويات منخفضة جداً، غالباً ما تهبط إلى ما يقرب من الصفر.

كما تتبع الباحثون كيف تغير الفصول من حالة الهواء. تمر سريلانكا بموسمين رئيسيين من الرياح الموسمية، وهي فترات من الأمطار الغزيرة التي تجتاح الجزيرة. وأظهرت البيانات أن هذه الأمطار تعمل كمنظف طبيعي؛ فخلال الرياح الموسمية الجنوبية الغربية، التي تمتد من مايو إلى سبتمبر، انخفضت مستويات ثاني أكسيد النيتروجين في المناطق الغربية والجنوبية بشكل كبير، وغالباً ما سقطت في أدنى الفئات. فالأمطار تغسل الملوثات من الغلاف الجوي وتساعد الرياح في تشتيتها. وعلى العكس من ذلك، خلال الأشهر الجافة من يناير إلى أبريل، تميل الملوثات إلى البقاء عالقة، خاصة في المراكز الحضرية حيث تحاصرها سرعات الرياح المنخفضة.

وقعت لحظة لافتة للنظر بشكل خاص في البيانات عام 2020، أثناء الجائحة العالمية. فعندما فرضت الحكومة قيوداً صارمة على الحركة للحد من انتشار الفيروس، رصدت صور الأقمار الصناعية انخفاضاً دراماتيكياً وفورياً في ثاني أكسيد النيتروجين. في أبريل ومايو من ذلك العام، انخفضت مناطق التلوث العالية حول كولومبو وكالوتارا، والتي عادة ما تظهر أعلى المستويات، إلى أدنى فئة، حيث هبطت إلى أقل من جزء واحد في المليار. وقد قدم هذا الانخفاض الحاد دليلاً لا يقبل الشك على أن التلوث ناتج عن النشاط البشري وليس عن مصادر طبيعية. ومع ذلك، كان هذا التأثير مؤقتاً؛ فمع تخفيف القيود وعودة الحياة إلى طبيعتها بحلول سبتمبر، ارتفعت مستويات التلوث مرة أخرى، مما يعكس عودة حركة المرور والعمل الصناعي.

وروت مادة ثاني أكسيد الكبريت قصة مختلفة. فبينما انتشر ثاني أكسيد النيتروجين على طول الطرق والمدن، تكتل ثاني أكسيد الكبريت، الذي ينتج غالباً عن حرق الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط، بكثافة حول مواقع صناعية محددة. ووجد الباحثون بؤر تركيز متميزة بالقرب من محطات الطاقة الحرارية في منطقة بوتلام والمناطق الصناعية في كالوتارا. وخلافاً للضباب الحضري الواسع لثاني أكسيد النيتروجين، ظهر ثاني أكسيد الكبريت في شكل أعمدة مركزة مرتبطة مباشرة بهذه المصادر النقطية. وكانت مستويات هذا الغاز عموماً أقل من ثاني أكسيد النيتروجين، حيث ظلت معظمها بين 0 و2 جزء في المليار، وبينما تقلب ت قليلاً مع المواسم، إلا أنها ظلت مرتبطة بعمليات محطات الطاقة والمصانع بدلاً من الإيقاع اليومي لحركة المرور في المدن.

كما قارنت الدراسة بين نوعين مختلفين من منتجات بيانات الأقمار الصناعية لمعرفة أيهما أفضل لمهام مختلفة. أحد المنتجات، ويسمى "الوقت الحقيقي القريب" (Near Real-Time)، يتم معالجته بسرعة وهو مفيد لرصد التغيرات المفاجئة، مثل الانخفاض المفاجئ في التلوث أثناء فترة الإغلاق بسبب الجائحة. أما المنتج الآخر، المسمى "أوفلاين" (Offline)، فيخضع لمعالجة أكثر دقة ويوفر صورة أكثر سلاسة وموثوقية لدراسة الاتجاهات طويلة المدى على مدى عدة سنوات. ووجد الباحثون أنه بينما كانت البيانات السريعة جيدة للأحداث الفورية، فإن البيانات المعالجة كانت متفوقة لفهم التغيرات البطيئة والثابتة في جودة الهواء على مدار فترة الست سنوات.

وبالنظر إلى الاتجاهات طويلة المدى من 2019 إلى 2024، لاحظ الباحثون أنه رغم التراجع المؤقت بسبب الجائحة، إلا أن مستويات ثاني أكسيد النيتروجين في المناطق الحضرية بدأت ترتفع ببطء مرة أخرى، مما يشير إلى أن انبعاثات المركبات والتوسع الحضري يستمران في تجاوز أي تخفيضات في الانبعاثات. وظلت مستويات ثاني أكسيد الكبريت مستقرة نسبياً ولكنها أظهرت علامات زيادة في المناطق الصناعية، مما يوحي إما بارتفاع الإنتاج الصناعي أو بتراجع قدرة الغلاف الجوي على تنقية الهواء. كما أشارت الدراسة إلى أنه في المرتفعات الوسطى، حيث التضاريس جبلية، تُحبس الملوثات أحياناً في الوديان خلال المواسم الجافة، مما يخلق جيوباً موضعية من التلوث المرتفع تختلف عن الأنماط الساحلية.

تثبت هذه الأبحاث أن بيانات الأقمار الصناعية المجانية يمكن أن تكون أداة قوية وفعالة من حيث التكلفة للدول التي تفتقر إلى شبكات مراقبة أرضية واسعة. ومن خلال رسم خريطة لجودة الهواء عبر الجزيرة بأكملها، توفر الدراسة خطاً مرجعياً يمكن لصناع القرار استخدامه لاتخاذ قرارات مدروسة. وتشير النتائج إلى أن سريلانكا، لتحسين جودة الهواء، تحتاج إلى التركيز على تقليل انبعاثات المركبات في الممر الغربي وإدارة الإنتاج الصناعي في مناطق توليد الطاقة. وتوفر الخرائط الناتجة عن هذه الدراسة دليلاً بصرياً واضحاً للمكان الذي يجب وضع محطات المراقبة الجديدة فيه، وأين يجب فرض لوائح أكثر صرامة، وكيفية التخطيط لمستقبل يظل فيه الهواء آمناً للتنفس. وفي نهاية المطاف، يثبت هذا العمل أنه حتى بدون وجود شبكة كثيفة من أجهزة الاستشعار الأرضية، يمكننا الآن رؤية سحب التلوث غير المرئية وفهم القوى التي تحركها.