Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 5. С. 385-397
Обнаружение возможности оценки режимов образования приземного озона на основе данных дистанционного зондирования Земли
Т.Г. Крупнова
1 , О.В. Ракова
1 , Г.П. Стручкова
2 , Т.А. Капитонова
2 , С.А. Тихонова
2 , Е.А. Выходцева
3 , В.М. Кочегоров
3 1 Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия
2 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, Якутск, Россия
3 Челябинский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды — филиал ФГБУ “Уральское УГМС”, Челябинск, Россия
Одобрена к печати: 16.08.2025
DOI: 10.21046/2070-7401-2025-22-5-385-397
Приземный озон (O3) влияет на окислительную способность атмосферы и приводит к образованию высокотоксичного фотохимического смога. Поэтому крайне важно изучать закономерности синтеза O3 в приземном слое воздуха. Он образуется в результате сложных фотохимических реакций с участием его предшественников: оксидов азота (NOx) и летучих органических соединений (ЛОС). Образование приземного O3 может быть ограничено в зависимости от режима, NOx или ЛОС. Спутниковые данные могут быть весьма полезны для изучения режимов образования O3, так как обеспечивают непрерывные глобальные наблюдения за двумя предшественниками тропосферного озона, а именно диоксидом азота (NO2) как индикатором NOx и формальдегидом (HCHO) как надёжным индикатором ЛОС. В настоящей работе впервые в России было использовано полученное по данным инструмента TROPOMI (англ. TROPOspheric Monitoring Instrument) (спутник Sentinel-5P) отношение формальдегида к NO2 (HCHO/NO2). Показана связь между спутниковым индикатором HCHO/NO2 и концентрацией O3, зарегистрированной наземными мониторами на территории города Челябинска. Наземные данные продемонстрировали, что высокая концентрация озона (270–290 мкг/м3) наблюдалась в весенние дни 2020 г. во время карантина COVID-19. События с высоким содержанием O3 показали нелинейную зависимость от соотношения HCHO/NO2, а переход от режимов образования O3, ограниченных ЛОС, к режимам, ограниченным NOx, происходил при значениях HCHO/NO2 от 1 до 1,8. В Челябинске в зимнее время года устанавливается ЛОС-лимитированный (NOx-насыщенный) режим образования озона из-за отопительного сезона и высоких выбросов NOx. Весной, летом и осенью для Челябинска характерны ЛОС – NOx- и NOx-лимитированные режимы. Исследование имеет большое значение для разработки эффективных планов по снижению концентрации приземного O3 в атмосфере российских промышленных городов.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, TROPOMI, наземные данные, приземный озон, режим образования озона
Полный текстСписок литературы:
- Горяев Н. К., Абрамов Н. С. Экономическое обоснование выделенных полос для общественного транспорта на примере города Челябинска // Вестн. ЮУрГУ. Сер. «Экономика и менеджмент». 2024. Т. 18. № 1. С. 182–188. DOI: 10.14529/em240117.
- Крупнова Т. Г., Ракова О. В., Кочегоров В. М. и др. Проблема анализа содержания формальдегида в атмосферном воздухе и идентификации источников (на примере города Челябинска) // Вестн. ЮУрГУ. Сер. «Химия». 2022. Т. 14. № 3. С. 139–150. DOI: 10.14529/chem220315.
- Морозова А. Э., Сизов О. С., Миронова М. А. Дистанционная оценка качества атмосферного воздуха в пределах крупнейших месторождений нефти и газа России (2019–2023) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 1. С. 285–300. DOI: 10.21046/2070-7401-2025-22-1-285-300.
- Пашинов Е. В., Лозин Д. В., Втюрин С. А., Кобец Д. А. Первые результаты расчёта баланса парниковых газов для регионов РФ по балансовой методике // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 6. С. 398–403. DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-6-398-403.
- Тронин А. А., Седеева М. С., Неробелов Г. М., Васильев М. П. Мониторинг содержания диоксида азота в атмосфере городов Европы и России по спутниковым данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 1. С. 287–297. DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-1-287-297.
- Air Quality Guidelines: Global Update 2005: Particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide / World Health Organization. Geneve, 2006. 22 p.
- Apicella L., De Martino M., Quarati A. Copernicus user uptake: From data to applications // ISPRS Intern. J. Geo-Information. 2022. V. 11. No. 2. Article 121. 34 p. DOI: 10.3390/ijgi11020121.
- Duncan B. N., Yoshida Y., Olson J. R. et al. Application of OMI observations to a space-based indicator of NOx and VOC controls on surface ozone formation // Atmospheric Environment. 2010. V. 44. No. 18. P. 2213–2223. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2010.03.010.
- Eskes H., van Geffen J., Boersma F. et al. Sentinel-5 precursor/TROPOMI Level 2 Product User Manual Nitrogendioxide. Royal Netherlands Meteorological Institute, Ministry of Infrastructure and Water Management, 2022. 168 p.
- Gorelick N., Hancher M., Dixon M. et al. Google Earth Engine: Planetary-scale geospatial analysis for everyone // Remote Sensing of Environment. 2017. V. 202. P. 18–27. DOI: 10.1016/j.rse.2017.06.031.
- Griffin D., Hempel C., McLinden C. et al. Development and validation of satellite-derived surface NO2 estimates using machine learning versus traditional approaches in North America // https://egusphere.copernicus.org/. Preprint egusphere-2025-1681. 2025. 20 p. DOI: 10.5194/egusphere-2025-1681.
- Hong Q., Liu C., Hu Q. et al. Evaluating the feasibility of formaldehyde derived from hyperspectral remote sensing as a proxy for volatile organic compounds // Atmospheric Research. 2021. V. 264. Article 105777. DOI: 10.1016/j.atmosres.2021.105777.
- Jin X., Fiore A., Boersma K. F. et al. Inferring changes in summertime surface ozone−NOx−VOC chemistry over U. S. urban areas from two decades of satellite and ground-based observations // Environmental Science and Technology. 2020. V. 54. No. 11. P. 6518–6529. DOI: 10.1021/acs.est.9b07785.
- Jung J., Choi Y., Mousavinezhad A. et al. Changes in the ozone chemical regime over the contiguous United States inferred by the inversion of NOx and VOC emissions using satellite observation // Atmospheric Research. 2022. V. 270. Article 106076. DOI: 10.1016/j.atmosres.2022.106076.
- Khalil M. A. K. Steady states and transport processes in urban ozone balances // NPJ Climate and Atmospheric Science. 2018. V. 1. Article 22. DOI: 10.1038/s41612-018-0035-7.
- Kleinman L. I. The dependence of tropospheric ozone production rate on ozone precursors // Atmospheric Environment. 2005. V. 39. No. 3. P. 575–586. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2004.08.047.
- Konstantinova A. M., Bril A. A. Monitoring of NO2 emission at Russian cities scale using TROPOMI (Sentinel-5P) data // Proc. All-Russian Conf. with Intern. Participation “Spatial Data Processing for Monitoring of Natural and Anthropogenic Processes” (SDM-2021). 2021. V. 3006. P. 476–483.
- Krupnova T. G., Rakova O. V., Simakhina V. I. et al. Surface ozone in the industrial city of Chelyabinsk, Russia // Geography, Environment, Sustainability. 2024. V. 17. No. 4. P. 223–234. DOI: 10.24057/2071-9388-2024-3364.
- Li R., Xu M., Li M. et al. Identifying the spatiotemporal variations of ozone formation regimes across China from 2005 to 2019 based on polynomial simulation and causality analysis // Atmospheric Chemistry and Physics Discussion. 2021. 28 p. DOI: 10.5194/acp-2021-291.
- Martin R. V., Parrish D. D., Ryerson T. B. et al. Evaluation of GOME satellite measurements of tropospheric NO2 and HCHO using regional data from aircraft campaigns in the southeastern United States // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2004. V. 109. No. D24. Article D24307. 11 p. DOI: 10.1029/2004JD004869.
- McGenity T. J., Crombie A. T., Murrell J. C. Microbial cycling of isoprene, the most abundantly produced biological volatile organic compound on Earth // The ISME J. 2018. V. 12. P. 931–941. DOI: 10.1038/s41396-018-0072-6.
- Nguyen Duc H., Chang L. T.-C., Trieu T. et al. Source contributions to ozone formation in the New South Wales Greater Metropolitan Region, Australia // Atmosphere. 2018. V. 9. No. 11. Article 443. DOI: 10.3390/atmos9110443.
- Ni J., Jin J., Wang Y. et al. Surface ozone in global cities: A synthesis of basic features, exposure risk, and leading meteorological driving factors // Geography and Sustainability. 2024. V. 5. P. 64–76. DOI: 10.1016/j.geosus.2023.09.008.
- Nuvolone D., Petri D., Voller F. The effects of ozone on human health // Environmental Science and Pollution Research. 2018. V. 25. No. 9. P. 8074–8088. DOI: 10.1007/s11356-017-9239-3.
- Rawat K., Matta G. Ozone: Risk assessment, environmental, and health hazard // Hazardous Gases: Risk Assessment on Environment and Human Health. Academic Press, 2021. P. 301–312. DOI: 10.1016/B978-0-323-89857-7.00019-0.
- Romahn F., Pedergnana M., Loyola D. et al. Sentinel-5 precursor/TROPOMI Level 2 Product User Manual Formaldehyde HCHO. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, 2022. 131 p.
- Rosenkranz M., Chen Y., Zhu P., Vlot A. C. Volatile terpenes — mediators of plant-to-plant communication // The Plant J. 2021. V. 108. No. 3. P. 617–631. DOI: 10.1111/tpj.15453.
- Salonen H., Salthammer T., Morawska L. Human exposure to ozone in school and office indoor environments // Environment Intern. 2018. V. 119. P. 503–514. DOI: 10.1016/j.envint.2018.07.012.
- Santiago V., Inoue K., Tonokura K. Diagnosis of ozone formation sensitivity in the Mexico City Metropolitan Area using HCHO/NO2 column ratios from the ozone monitoring instrument // Environmental Advances. 2021. V. 6. Article 100138. DOI: 10.1016/j.envadv.2021.100138.
- Sillman S. The use of NOy, H2O2, and HNO3 as indicators for ozone-NOx-hydrocarbon sensitivity in urban locations // J. Geophysical Research: Atmospheres. 1995. V. 100. No. D7. P. 14175–14188. DOI: 10.1029/94JD02953.
- Song H., Zhao W., Yang X. et al. Ozone sensitivity analysis and ozone formation regimes division in the Beijing–Tianjin–Hebei region based on satellite remote sensing data // Atmosphere. 2023. V. 14. Article 1637. DOI: 10.3390/atmos14111637.
- Veefkind J. P., Aben I., McMullan K. et al. TROPOMI on the ESA Sentinel-5 Precursor: A GMES mission for global observations of the atmospheric composition for climate, air quality and ozone layer applications // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 120. P. 70–83. DOI: 10.1016/j.rse.2011.09.027.
- Watson L. A., Wang K.-Y., Hamer P., Shallcross D. E. The potential impact of biogenic emissions of isoprene on urban chemistry in the United Kingdom // Atmospheric Science Letters. 2006. V. 7. P. 96–100. DOI: 10.1002/asl.140.
- Xue J., Zhao T., Luo Y. et al. Identification of ozone sensitivity for NO2 and secondary HCHO based on MAX-DOAS measurements in northeast China // Environment Intern. 2022. V. 160. Article 107048. DOI: 10.1016/j.envint.2021.107048.
- Zhang J., Wei Y., Fang Z. Ozone pollution: A major health hazard worldwide // Frontiers in Immunology. 2019. V. 10. Article 2518. DOI: 10.3389/fimmu.2019.02518.
- Zhang K., Duan Yu., Huo J. et al. Formation mechanism of HCHO pollution in the suburban Yangtze River Delta region, China: A box model study and policy implementations // Atmospheric Environment. 2021. V. 267. Article 118755. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2021.118755.
- Zhao I., Mo H., Wang H. et al. A comparative study of ground-gridded and satellite-derived formaldehyde during ozone episodes in the Chinese Greater Bay Area // Remote Sensing. 2023. V. 15. Article 3998. DOI: 10.3390/rs15163998.
- Zhu L., González Abad G., Nowlan C. R. et al. Validation of satellite formaldehyde (HCHO) retrievals using observations from 12 aircraft campaigns // Atmospheric Chemistry and Physics. 2020. V. 20. P. 12329–12345. DOI: 10.5194/acp-20-12329-2020.