ดาวเทียมสำรวจโลกตรวจจับฝุ่น PM2.5 ได้อย่างไร? เปิดเทคโนโลยีเฝ้าระวังมลพิษทางอากาศจากอวกาศ

ในยุคที่ปัญหามลพิษทางอากาศโดยเฉพาะฝุ่นขนาดเล็ก PM2.5 กลายเป็นภัยคุกคามต่อสุขภาพของประชาชนทั่วโลก การเฝ้าระวังมลพิษจากภาคพื้นดินเพียงอย่างเดียวอาจไม่สามารถครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยเหตุนี้ การนำเทคโนโลยีสมัยใหม่มาใช้เพื่อมองอากาศจากมุมสูง โดยหนึ่งในนั้นคือการใช้ดาวเทียมสำรวจโลก เข้ามาเป็นเครื่องมือสำคัญในการเก็บข้อมูลและประเมินสถานะมลพิษทางอากาศที่ทรงพลังในการตรวจสอบ และติดตามการกระจายตัวของฝุ่น PM2.5 จากมุมมองที่สูงขึ้นอย่างอวกาศได้ ซึ่งช่วยเสริมระบบตรวจวัดพื้นดินที่อาจมีข้อจำกัดด้านพื้นที่และงบประมาณ บทความนี้จะเปิดเผยถึงเทคโนโลยีเบื้องหลังที่ช่วยให้ดาวเทียมฯ มองเห็นและประเมินความเข้มข้นของฝุ่นละอองที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่าเหล่านี้ได้

ทำไม? ต้องใช้ดาวเทียมสำรวจโลกในการเฝ้าระวัง PM2.5

แม้ในหลายประเทศจะมีเครือข่ายตรวจวัดมลพิษทางอากาศด้วยเซนเซอร์ภาคพื้นดิน แต่ในหลายพื้นที่โดยเฉพาะชนบทหรือประเทศกำลังพัฒนา ที่เทคโนโลยีเหล่านี้เข้าถึงได้ยากลำบากหรือมีใช้อย่างไม่ทั่วถึง ดังนั้นเทคโนโลยีดาวเทียมฯ จึงเข้ามาเป็นทางเลือกที่สำคัญ เพราะสามารถสังเกต สะสมข้อมูลทั่วโลกและมองได้ในระดับพื้นที่กว้าง ตัวอย่างเช่น งานศึกษาของ California Air Resources Board พบว่า “AOD (Aerosol Optical Depth) จากดาวเทียม” ที่วัดได้กลายเป็นตัวชี้วัดความเข้มข้นของ PM2.5 ในพื้นที่ที่ไม่มีเซนเซอร์พื้นดินได้ ด้วยเหตุนี้ การใช้ดาวเทียมจึงเป็นส่วนหนึ่งของกลยุทธ์เฝ้าระวังคุณภาพอากาศในระดับภูมิภาคและระดับโลกอย่างสำคัญ

ดาวเทียมสำรวจโลก : เทคโนโลยีเฝ้าระวังมลพิษทางอากาศจากอวกาศ

ดาวเทียมฯ ที่ใช้ในการตรวจวัดมลพิษทางอากาศจะติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า เครื่องวัดรังสี (Radiometer) หรือสเปกโตรมิเตอร์ (Spectrometer) มีหลักการทำงานพื้นฐานคือการวัดปริมาณแสงอาทิตย์ที่ถูกอนุภาคฝุ่นละออง (Aerosol) ในชั้นบรรยากาศ เพื่อดูดซับและกระเจิงกลับมายังเซ็นเซอร์ของดาวเทียมฯ ซึ่งอนุภาค PM2.5 มีขนาดเล็กพอที่จะทำให้เกิดการกระเจิงของแสงในลักษณะเฉพาะ จึงสามารถตรวจจับได้ในช่วงความยาวคลื่นที่หลากหลาย

 

ดาวเทียมสำรวจโลก ตรวจจับ PM2.5 ได้อย่างไร?

เมื่อพูดถึงการที่ดาวเทียมเพื่อตรวจจับ PM2.5 ได้ แต่เราต้องเข้าใจก่อนว่าจริงๆ แล้วมันไม่ได้วัด PM2.5 ที่พื้นโลกโดยตรง แต่จะอาศัยองค์ประกอบดังนี้

• ดาวเทียมวัดค่า Aerosol Optical Depth (AOD) ซึ่งคือการวัดปริมาณแสงที่ถูกกระจายหรือดูดซับโดยอนุภาคในชั้นบรรยากาศ (aerosols) เมื่อแสงจากดวงอาทิตย์ผ่านชั้นบรรยากาศ
  
  
• จากค่า AOD จะนำเข้าสู่แบบจำลองทางฟิสิกส์/เคมีและแบบทางสถิติ รวมทั้ง AI, Machine Learning ร่วมกับข้อมูลพื้นดินและแบบจำลองอากาศ เพื่อประเมิน PM2.5 ที่ระดับพื้นโลกหรือพื้นผิว 
  
  
• กระบวนการโดยสังเขปคือ : ดาวเทียมสำรวจโลก → วัด AOD → ผสมแบบจำลองอุตุนิยม-เคมี + ข้อมูลทดสอบจากพื้นดิน → ประมาณ PM2.5 ที่พื้น
  โดยในเอกสารของ NASA ก็ให้ข้อมูลว่า “Satellites do not measure PM2.5 directly. Rather, they measure AOD… which can be converted to surface estimates”  ซึ่งหมายความว่า สิ่งที่ดาวเทียมวัดได้โดยตรงคือ ค่าความหนาแน่นเชิงแสงของอนุภาคฝุ่น (Aerosol Optical Depth - AOD) ซึ่งเป็นค่าที่บอกว่าอนุภาคฝุ่นละอองในชั้นบรรยากาศหนาแน่นเพียงใดในการขัดขวางการส่งผ่านของแสงอาทิตย์
  
  แม้ว่า AOD จะไม่ใช่ค่า PM2.5 โดยตรง แต่เป็นตัวชี้วัดที่มีความสัมพันธ์กันอย่างมาก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จะใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนและข้อมูลจากสถานีตรวจวัดภาคพื้นดินประกอบกัน เพื่อเปลี่ยนค่า AOD ที่วัดโดยดาวเทียมฯ ให้เป็นค่าความเข้มข้นของ PM2.5 ในระดับพื้นผิว

เทคโนโลยีหลักที่อยู่ในดาวเทียมสำรวจโลกเพื่อมอนิเตอร์ PM2.5

• MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) : อยู่บนดาวเทียม Terra และ Aqua ของ NASA ให้ข้อมูล AOD รายวัน
  
  
• VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) : อยู่บนดาวเทียม Suomi NPP และ NOAA-20 ให้ข้อมูลที่มีความละเอียดสูงขึ้น
  
  
• OMI (Ozone Monitoring Instrument) / TROPOMI (Tropospheric Monitoring Instrument) : แม้จะเน้นการวัดก๊าซ แต่ก็สามารถให้ข้อมูลประกอบการประเมินอนุภาคได้ การใช้เครื่องมือหลากหลายชนิดบนดาวเทียม
  
  
• แบบจำลองอากาศ/สารประกอบอนุภาค : เช่น GEOS‑Chem, GEOS‑CF ใช้ร่วมกับข้อมูลจากดาวเทียมเพื่อแปลงค่า AOD เป็น PM2.5 ที่พื้น
  
  
• อัลกอริทึมทางสถิติ/ปัญญาประดิษฐ์ (AI) : เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของการประมาณ PM2.5 จากภาพดาวเทียม

การใช้ดาวเทียมสำรวจโลกเพื่อตรวจจับและประเมินฝุ่น PM2.5 คือหนึ่งในนวัตกรรมสำคัญที่ช่วยให้เรามีภาพรวมของมลพิษทางอากาศในระดับภูมิภาคและทั่วโลก แม้ว่าจะมีข้อจำกัดหลายประการ เช่น ความละเอียด การแปลงข้อมูลและการมองผ่านเมฆ แต่ด้วยการผสมผสานระหว่างข้อมูลจากดาวเทียมฯ แบบจำลองอากาศและเซนเซอร์พื้นดิน ทำให้เราเข้าใจสภาพอากาศและมลพิษได้ดีขึ้น จนสามารถนำข้อมูลไปใช้สนับสนุนการวางนโยบายสุขภาพ สิ่งแวดล้อมและการเตือนภัยล่วงหน้าได้

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

• appliedsciences.nasa.gov/sites/default/files/2023-03/D2P7_PM25Datasets_Final.pdf
  
  
• Air-quality-research-using-satellite-remote-sensing
  
  
• appliedsciences.nasa.gov/sites/default/files/2023-03/D2P7_PM25Datasets_Final.pdf
  
  
• sites.wustl.edu/acag/surface-pm2-5
  
  
• Using-Satellite-Data-for-Air-Quality-and-Health-Applications
  
  
• svs.gsfc.nasa.gov/5151
  
  

CarbonWatch เองก็มีเทคโนโลยีจากนวัตกรรมดาวเทียมสำรวจโลก แต่เราใช้ AI และ Machine Learning ขั้นสูงในการประมวลผลข้อมูลเข้าด้วยกันอย่างลงตัว เพื่อประเมินการกักเก็บคาร์บอนในต้นไม้แบบเรียลไทม์ ด้วย AI โดยใช้ภาพถ่ายดาวเทียมความละเอียดสูง รองรับการประเมินป่าชุมชน, การจำแนกประเภทป่าไม้ และแจ้งเตือนไฟป่าอย่างแม่นยำ พร้อมสนับสนุนโครงการคาร์บอนเครดิต, ปลูกป่าคาร์บอนเครดิตและการสร้างเครดิตคาร์บอน เพื่อลดคาร์บอนอย่างยั่งยืน เครื่องมือเหล่านี้ทำให้การตัดสินใจด้านนโยบาย การแจ้งเตือนภัยและการดำเนินการลดมลพิษเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพและครอบคลุมพื้นที่ทั่วประเทศ