Se sig om. Kan du se luften? Nej?

Lyckligtvis, många av NASA:s jordobservationssatelliter kan se vad det mänskliga ögat inte kan – inklusive potentiellt skadliga föroreningar som finns kvar i luften vi andas. Från rymdens utsiktspunkt, dessa satelliter hjälper oss att mäta och spåra luftföroreningar när de rör sig runt jorden och har bidragit avsevärt till vår decennier långa strävan efter renare luft.

När vi talar om "luftföroreningar, "Vi syftar på kemikalier eller partiklar i atmosfären som är kända för att ha negativa hälsoeffekter på människor. Clean Air Act från 1970 fastställde lagstiftning som kräver spårning av sex av dessa föroreningar - kvävedioxid (NO2), marknära ozon, kolmonoxid, partiklar (mikroskopiska prickar av fast eller flytande material i luften), svaveldioxid, och bly. Satellitinstrument mäter alla dessa utom bly.

NASA har varit involverad i studien av luftkvalitet i decennier från rymden och med marksensorer, skapa en tidsserie av globala dataposter som är avgörande för att förstå effekterna och orsakerna till luftföroreningar och för att hjälpa till att designa lösningar. Den här artikeln belyser några av de många projekt som pågår nu och som planeras för de kommande åren.

Mätt i rymden, Används på jorden

Vid analys av rymdburen data, en sak är mycket tydlig – att minska utsläppen från mänskliga aktiviteter kan ha en djupgående effekt på luftkvaliteten.

Kinas senaste storskaliga svar på covid-19-pandemin, som inkluderade karantäner och begränsningar av industriell verksamhet och resor, är ett särskilt levande exempel på detta. Data från instrument på NASA:s Aura och European Space Agencys Sentinel-5-satelliter visade en signifikant minskning av kvävedioxid (NO2) - en skadlig gas som släpps ut från kraftverk, industrianläggningar och motorfordon — över stora delar av landet under den tiden.

Pandemin presenterar ett unikt användningsfall för rymdburna jordobservationer; dock, satellitbaserade luftkvalitetsdata har tillämpningar inom ett brett spektrum av discipliner. Det är där NASA:s hälso- och luftkvalitetsprogram visar sitt värde. Programmet bygger ovärderliga partnerskap med andra byråer, industri och ideella organisationer för att underlätta användningen av dessa data för att lösa verkliga problem.

"Vi finansierade ett projekt ledd av Environmental Protection Agency (EPA) för att assimilera NASAs jordobservationer i deras "AirNow"-system, " sa programledaren John Haynes.

AirNow-systemet är EPA:s plattform för distribution av nationella, luftkvalitetsrapporter och prognoser i realtid. Mätningarna kommer främst från tusentals övervakningsstationer på marken över hela USA, Mexiko, och Kanada; dock, dessa markövervakningsstationer är inte allomfattande.

"Markmonitorerna täcker en stor del av USA, speciellt runt storstadsområdena. Men det finns stora delar av landet som inte har övervakningsstationer, ", sa Haynes. "Genom att introducera satellitaerosoloptiska djupobservationer från MODIS-instrumentet, vi kan mäta dessa områden också, vilket gör att vi kan bilda oss en mer korrekt bild av hur luftföroreningar – och särskilt fina partiklar – fördelar sig över landet och hur de förändras över tiden."

Genom att införliva data från Ozon Monitoring Instrument (OMI), ett holländsk-finskt bidrag till NASA:s Aura-satellituppdrag, EPA och NASA kunde också identifiera en betydande minskning av NO2 under de senaste 15 åren i USA – bevis på att bestämmelser som infördes genom Clean Air Act för 50 år sedan – regler för körsträcka för fordonsgas, en övergång till renare bränslen, och så vidare — är, verkligen, arbetssätt.

"Vi har kunnat visa att sedan 2004, NO2-nivåerna har sjunkit så mycket som 50% beroende på vilket storstadsområde vi pratar om. Faktiskt, luften i USA är nu den renaste den har varit i den moderna industriella eran, " sa Haynes.

Ansluter (data)prickarna

Med det överflöd av data som kommer in – det finns dussintals jordobserverande satelliter för närvarande i omloppsbana – är en av de största utmaningarna att koppla samman intressenter med rätt "verktyg" eller datauppsättningar för vad de försöker åstadkomma, och i vissa fall, lära dem hur man införlivar denna typ av data i sin planering.

"För att lösa det här problemet, vårt team har utvecklat en webbplats där vi hjälper användare att navigera i alla dessa resurser, från någon som aldrig riktigt har använt satellitdata tidigare till mer avancerade intressenter som vill fatta bättre beslut och informera allmänheten om frågor om luftkvalitet, " säger Tracey Holloway, ledare för det NASA-finansierade Health and Air Quality Applied Sciences Team (HAQAST), en grupp luftkvalitets- och folkhälsoforskare från regeringskontor och universitet över hela landet.

Skogsbränder i Kalifornien, till exempel, har orsakat oro för luftkvaliteten de senaste åren. Ett HAQAST tigerteam kunde titta på utsläpp och utveckla nya metoder för att använda befintliga data från VIIRS- och MODIS-instrumenten för att stödja delstaten Kalifornien i dess förståelse och kvantifiering av utsläpp. HAQAST hjälpte också till att få data från nyare satelliter som GOES-16 i statens händer.

Enligt rapporten Global Burden of Disease, luftföroreningar är den ledande miljöorsaken till dödlighet – en statistik som många inom folkhälsoområdet är väl medvetna om. Och tillgången på satellitobservationer förändrar dialogen kring den.

"Bara inom hälsosamfundet, vi har observerat den växande trenden med forskningssamarbeten som överbryggar expertis över miljöhälsodiscipliner. När vi fortsätter att utbilda den globala hälsoarbetskraften, vi måste identifiera de färdigheter som kan förbereda arbetskraften för att hantera de framväxande riskerna i framtiden. Till exempel, en kompetenssats är kunskapen och användningen av innovativa datakällor – inklusive satellitdata – oavsett om de tillämpar data för forskningsändamål eller tolkar resultat för pedagogisk uppsökande verksamhet, sa Helena Chapman, biträdande programledare för NASA Health and Air Quality-applikationer.

Holloway tillägger, "Överflödet av satellitdata just nu är fantastiskt. Bara under de senaste 10 åren, det har varit anmärkningsvärt hur många byråer, ideella organisationer, städer och stater har gått från att inte ens veta att satelliter kan upptäcka luftföroreningar till att aktivt använda data i sin dagliga verksamhet."

Blickar framåt

Just nu, våra satelliter kan dagligen mäta ett antal kemikalier i luften över USA och globalt. Men flera uppdrag som är planerade att lanseras under de närmaste åren kommer att kunna bli ännu bättre.

Till exempel, uppdraget Tropospheric Emissions:Monitoring Pollution (TEMPO) är utformat för att mäta flera olika föroreningar – inklusive NO2 och ozon – över USA under varje dagsljus. TEMPO kommer att ge forskare möjligheten att se hur föroreningskällor och koncentrationer förändras under en dag. Del av en internationell konstellation av liknande satelliter som inkluderar Sydkoreas Geostationary Environment Monitoring Spectrometer (GEMS), och Europeiska rymdorganisationens Sentinel-4, TEMPO är planerad att lanseras 2022.

Uppdraget Multi-Angle Imager for Aerosols (MAIA), även planerad att lanseras i början av 2020-talet, kommer att förbättra vår förståelse av partiklar – dessa små, mikroskopiska partiklar som dröjer kvar i luften — med särskilt fokus på stora storstadsområden. Data som denna kommer att hjälpa hälso- och sjukvården att bättre förstå sambandet mellan aerosolföroreningar och hälsoproblem, inklusive negativa födelseresultat och hjärt-kärlsjukdomar.

"MAIA kommer att tillåta oss att studera dessa aerosoler i detalj, berätta för oss hur stora de är och hur många av dem som är i den mycket lilla kategori som är mest skadlig för människors hälsa, sa Barry Lefer, programforskare för NASA:s Tropospheric Composition-program. "Vi kommer också att kunna bättre förstå vad partiklarna är gjorda av som kommer att leda oss dit de kom ifrån (som autoavgaser till exempel)."

Ännu längre fram i tiden, möjligheterna är många.

"Jag skulle älska att se en framtid där jordobservationsdata i realtid är sömlöst och kontinuerligt tillgängliga för alla - från omloppsbana till din handflata, ", sade Haynes. "Det skulle tillåta vem som helst att fatta snabba beslut angående luftkvalitet och deras hälsa."