Mapping ammonia emission plumes using shortwave infrared imaging spectroscopy

वायुमंडल की कल्पना एक विशाल, अदृश्य हवा के महासागर के रूप में करें जिसे हम सभी साझा करते हैं। कभी-कभी, यह महासागर अदृश्य गैसों से प्रदूषित हो जाता है जो हमारे स्वास्थ्य को नुकसान पहुँचा सकती हैं और प्रकृति को क्षति पहुँचा सकती हैं। ऐसी ही एक गैस है अमोनिया। आप इसे सफाई के सामानों की तीखी गंध से पहचानते होंगे, लेकिन आसमान में, यह मुख्य रूप से खेतों और कारखानों से आती है। जब बहुत अधिक अमोनिया हवा में तैरती है, तो यह सूक्ष्म, हानिकारक धूल के कणों में बदल सकती है जिसे हम सांस के साथ अंदर लेते हैं, या यह जंगलों और झीलों पर गिरकर एक जहरीले उर्वरक की तरह काम कर सकती है जो प्रकृति के नाजुक संतुलन को बिगाड़ देता है।

लंबे समय से, वैज्ञानिक विशेष कैमरों का उपयोग करके इन अदृश्य अमोनिया बादलों को ट्रैक करने की कोशिश कर रहे हैं जो "गर्मी" (हीट) को देखते हैं। इसे एक ठंडे कमरे में गर्म कॉफी के कप को पहचानने की कोशिश करने जैसा समझें; कैमरा गर्मी के अंतर को देखता है। लेकिन इस तरीके में कुछ बड़ी समस्याएँ हैं। यह केवल तभी अच्छी तरह काम करता है जब जमीन का तापमान हवा से अलग हो, यह छोटे या छिपे हुए स्रोतों को देखने में संघर्ष करता है, और उपग्रहों (सैटेलाइट) पर लगे कैमरे अक्सर इतने धुंधले होते हैं कि वे एक पूरे शहर के ब्लॉक से छोटी किसी भी चीज़ को देख नहीं पाते। यह एक मील दूर से टेलीस्कोप का उपयोग करके अखबार पढ़ने जैसा है जो केवल अंधेरे में देखता है।

अब, शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन अमोनिया बादलों को पहचानने का एक चतुर नया तरीका खोज लिया है। गर्मी को खोजने के बजाय, उन्होंने यह देखने का निर्णय लिया कि गैस सूर्य के प्रकाश को कैसे रोकती है। उन्होंने 'तनेजर-1' (Tanager-1) नामक एक उपग्रह का उपयोग किया, जो एक सुपर-पावर्ड कैमरे की तरह काम करता है जो प्रकाश के उस हिस्से को देख सकता है जिसे हम अपनी आँखों से नहीं देख सकते। यह विश्लेषण करके कि सूर्य का प्रकाश जमीन से कैसे टकराता है और कैसे अमोनिया के अणुओं द्वारा "चुराया" जाता है, वे प्रदूषण के गुबारों को अविश्वसनीय स्पष्टता के साथ मैप करने में सक्षम रहे। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने पाकिस्तान और उज्बेकिस्तान के विशिष्ट कारखानों से निकलने वाली गैस को मापा, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह नया "सूर्य के प्रकाश का जासूस" (sunlight detective) तरीका काम करता है और हमें वह प्रदूषण देखने में मदद कर सकता है जो पहले छाया में छिपा हुआ था।

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द सनलाइट डिटेक्टिव: अदृश्य बादलों को पकड़ना

वर्षों से, अमोनिया प्रदूषण के अदृश्य बादलों को ट्रैक करना एक धुंधले कमरे में केवल थर्मल कैमरे का उपयोग करके किसी भूत को खोजने जैसा रहा है। यदि भूत (अमोनिया) कमरे (हवा) के तापमान से अलग नहीं है, तो कैमरा उसे नहीं देख पाता। इसके अलावा, उपग्रहों पर पुराने कैमरे इतने धुंधले हैं कि वे केवल विशाल, अलग-थलग बादलों को ही देख पाते हैं, जिससे कारखानों और खेतों से निकलने वाले छोटे, चालाक रिसाव छूट जाते हैं।

लेकिन इस नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने खेल बदलने का निर्णय लिया। गर्मी का पीछा करने के बजाय, उन्होंने छाया का पीछा करने का निर्णय लिया। उन्होंने महसूस किया कि अमोनिया सूर्य के प्रकाश के 'शॉर्टवेव इन्फ्रारेड' भाग में एक विशेष "फिंगरप्रिंट" रखता है। जब सूर्य का प्रकाश जमीन से टकराकर वापस ऊपर आता है, तो हवा में मौजूद अमोनिया के अणु उस प्रकाश के विशिष्ट रंगों को रोकने वाले छोटे, अदृश्य धूप के चश्मे की तरह कार्य करते हैं। यह मापने से कि कितना प्रकाश गायब है, वैज्ञानिक सटीक रूप से पता लगा सकते हैं कि वहां कितनी अमोनिया है।

नया उपकरण: तनेजर-1 (Tanager-1)
इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने तनेजर-1 नामक एक उपग्रह के डेटा का उपयोग किया। इस उपग्रह की कल्पना एक हाई-स्पीड स्कैनर के रूप में करें जो पृथ्वी की सतह की 30-मीटर के छोटे वर्गों में तस्वीरें लेता है। यह एक बड़े घर या एक छोटे पार्क के आकार के बराबर है। यह पुराने उपग्रह कैमरों की तुलना में एक बड़ा अपग्रेड है, जो शायद एक बार में एक पूरे शहर के ब्लॉक को ही देख पाते थे।

वैज्ञानिकों ने "मैच्ड फिल्टर" नामक एक गणितीय ट्रिक का उपयोग किया। इसे अमोनिया के फिंगरप्रिंट के लिए एक विशिष्ट "वांटेड पोस्टर" (wanted poster) रखने जैसा समझें। कंप्यूटर उपग्रह छवि के प्रत्येक पिक्सेल को स्कैन करता है, और जो प्रकाश वह देखता है उसकी तुलना "वांटेड पोस्टर" से करता है। यदि प्रकाश अमोनिया द्वारा सूर्य को रोकने के पैटर्न से मेल खाता है, तो कंप्यूटर उसे चिह्नित कर देता है। उन्होंने केवल पूरी तस्वीर को नहीं देखा; उन्होंने प्रदूषण के गुबारों के सटीक आकार को खोजने के लिए ज़ूम किया जो स्रोतों से दूर बह रहे थे।

बड़ी खोज: छिपे हुए रिसावों को ढूंढना
टीम ने अपने नए तरीके को दो जगहों पर परखा: पाकिस्तान और उज्बेकिस्तान। वे औद्योगिक उर्वरक संयंत्रों को देख रहे थे, जो अमोनिया छोड़ने के लिए जाने जाते हैं।

• पाकिस्तान में: उन्हें एक उर्वरक कारखाने से निकलने वाला एक विशाल गुबार मिला। उन्होंने गणना की कि यह एकल संयंत्र 837 किग्रा प्रति घंटा (kg h⁻¹) अमोनिया छोड़ रहा था।
• उज्बेकिस्तान में: उन्होंने दो नजदीकी स्रोतों को देखा। एक 781 किग्रा प्रति घंटा छोड़ रहा था, और दूसरा 908 किग्रा प्रति घंटा, यानी कुल मिलाकर 1689 किग्रा प्रति घंटा।

काम की जाँच (Checking the Work)
अब, आप सोच सकते हैं: "क्या यह कोई गलती हो सकती है? क्या उपग्रह ने अमोनिया को जल वाष्प या मीथेन समझ लिया होगा?" शोधकर्ता बहुत सावधान थे। उन्होंने अपने काम की जाँच प्रकाश के विभिन्न विंडोज़ (विशेष रूप से 1425–1575, 1850–2100, और 2175–2300 nm) को देखकर की। हर एक मामले में, अमोनिया के गुबार स्पष्ट रूप से दिखाई दिए, जिससे यह साबित हुआ कि वे केवल अन्य गैसों को नहीं देख रहे थे।

यह पुराने तरीके से कैसे भिन्न है?
शोधकर्ताओं ने अपने नए नंबरों की तुलना पुराने, धुंधले थर्मल सैटेलाइट कैमरों द्वारा रिपोर्ट किए गए आंकड़ों से की।

• पाकिस्तान साइट के लिए, थर्मल कैमरों का उपयोग करने वाले पुराने अध्ययनों ने अनुमान लगाया था कि रिसाव 3212–8035 किग्रा प्रति घंटा के बीच था।
• उज्बेकिस्तान साइट के लिए, एक पुराने अध्ययन ने 2714 किग्रा प्रति घंटा का अनुमान लगाया था।

नए नंबर कम हैं। लेखक सुझाव देते हैं कि ऐसा इसलिए हो सकता है क्योंकि पुराने थर्मल कैमरे इस बात के अनुमानों के प्रति संवेदनशील थे कि गैस हवा में कितनी देर तक रहती है, या उन्होंने गलती से पास के स्रोतों से निकलने वाली गैस को एक बड़े ढेर के रूप में गिन लिया होगा। 30-मीटर की दृष्टि वाला नया तरीका, गैस वास्तव में कहाँ से आ रही है, इस पर बहुत सटीक नज़र रखने की अनुमति देता है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह अध्ययन एक "प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट" है, जिसका अर्थ है कि यह पहली बार है जब किसी ने सफलतापूर्वक दिखाया है कि आप गर्मी के बजाय परावर्तित सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके अमोनिया को मैप कर सकते हैं। यह केवल एक सिद्धांत नहीं है; उन्होंने वास्तव में वास्तविक कारखानों से वास्तविक उत्सर्जन को मापा है।

सबसे अच्छी बात? यह केवल एक ही चीज़ तक सीमित नहीं है। पहले से ही अन्य उपग्रह और हवाई जहाज उड़ रहे हैं जिनमें ऐसे कैमरे हैं जो प्रकाश के इन्हीं तरंग दैर्ध्य (wavelengths) को देख सकते हैं (जैसे AVIRIS, EMIT, PRISMA, और EnMAP)। इस खोज का अर्थ है कि हमें अमोनिया प्रदूषण को स्पष्ट रूप से देखने के लिए नए, महंगे उपग्रहों का इंतजार करने की आवश्यकता नहीं है। हम उन उपकरणों का उपयोग कर सकते हैं जो हमारे पास पहले से ही हैं ताकि दुनिया के अमोनिया उत्सर्जन का बहुत सटीक और बार-बार अपडेट होने वाला नक्शा बनाया जा सके, जिससे हमें अपने पारिस्थितिकी तंत्र और अपने स्वास्थ्य की रक्षा करने में मदद मिले।