Cỗ máy vũ trụ giúp phát hiện ô nhiễm không khí

Các ống khói nhà máy thải ra những luồng hóa chất. Cháy rừng dữ dội phủ kín bầu trời với những luồng khói độc. Những đám mây khí xả bay ra từ các ống khói ven đường. Mỗi ngày, những nguồn này và các nguồn khác là tác nhân điền thêm vào ô nhiễm không khí gây hại cho sức khỏe con người và môi trường - mà vấn đề trăn trở là không dễ phát hiện.

Tuy nhiên, nhờ có sự cộng tác giữa NASA và Đài quan sát thiên văn Smithsonian (SAO - một phần của Trung tâm vật lý thiên văn Harvard & Smithsonian) mà một công cụ mới mang tính cách mạng sẽ nhanh chóng cung cấp các phân tích chi tiết về ô nhiễm không khí, nó sẽ theo dõi không khí mà chúng ta hít thở ở cách mặt đất hơn 22.000 dặm. 

Theo đó một vệ tinh có tên gọi Công cụ giám sát ô nhiễm phát thải ở tầng đối lưu (TEMPO) sẽ giúp theo dõi hàng giờ các chất hóa học và biến đổi động lực học của nhiều chất ô nhiễm chính với độ phân giải cực kỳ chi tiết. TEMPO sẽ quan sát cách ô nhiễm không khí được tạo ra (cùng cách nó phát triển và phân tán) thông qua khí quyển và trên toàn bộ Bắc Mỹ.

Ông Kelly Chance, trưởng điều tra của dự án với SAO (người đã đề xuất nhiệm vụ này từ một thập niên trước) giải thích: “TEMPO là một sứ mệnh vệ tinh bao gồm một quang phổ kế  (bằng cách sử dụng công nghệ mà chúng tôi đã phát triển hơn 30 năm qua) để dùng quang phổ ánh sáng nhằm đo lường ô nhiễm không khí. Vào ban ngày, chúng tôi sẽ đo khu vực Bắc Mỹ hàng ngày với độ phân giải không gian lớn hơn một chút so với National Mall (một công viên lớn rợp mát bóng cây) Washington, D.C”.

Được phóng vào ngày 7/4/2023 tại Trạm lực lượng không gian Mũi Canaveral ở tiểu bang Florida, một tên lửa Falcon 9, với 2 tầng đã cất cánh với tốc độ 7.000 dặm/ giờ, chuyển trọng tải vệ tinh của nó lên quỹ đạo địa tĩnh đồng nghĩa vệ tinh sẽ duy trì một vị trí đạt 22.236 dặm trực tiếp ngay trên các lãnh thổ Mỹ, Mexico và Canada. Bộ công cụ có kích thước bằng chiếc máy giặt của TEMPO giống như một cái khung có các ống với bàn xoay hình đĩa ở trên cùng sẽ được đặt trên một vệ tinh liên lạc khổng lồ Intelsat 40e ở phía đối diện với Trái đất.

Ông Kevin Daugherty, quản lý dự án tại Trung tâm nghiên cứu Langley của NASA đặt ở Hampton (tiểu bang Virginia) lưu ý: “Ở đây nơi chúng ta sống và hít thứ không khí để thở, có nhiều thứ khác biệt mà cần phải quan tâm. Tôi nghĩ rằng việc có được độ phân giải cao này trên khắp lục địa Mỹ sẽ là một bước tiến thực sự lớn trong việc xâu chuỗi các nguồn ô nhiễm chính cùng sự dịch chuyển của ô nhiễm”.

Ô nhiễm không khí bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi các kiểu thời tiết khi góp phần làm phân tán ô nhiễm: gió phân tán các chất ô nhiễm, và mưa có thể dội chúng đi khắp nơi, không khí ấm và ánh nắng có thể làm tăng tốc tỷ lệ các chất hóa học trong không khí. Sấm sét sinh ra oxit nitơ dẫn đến việc hình thành ozone gây hại. Quá trình theo dõi của TEMPO sẽ hé lộ những tương tác chưa từng có giữa thời tiết và ô nhiễm khí quyển, người dân có thể hy vọng tránh được những ngày thời tiết xấu.

“Khi các nhà quản lý đang hình dung cách làm thế nào có thể làm sạch chất lượng không khí một cách có hiệu quả nhất, đó cũng là thông tin mà họ cần để đưa ra quyết định hiệu quả nhất”, dẫn lời bà Arlene Fiore, một nhà khoa học hành tinh và khí quyển tại Viện công nghệ Massachusetts (MIT) người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết.

Ông Kelly Chance nhấn mạnh: “TEMPO sẽ đo ô nhiễm khí quyển mỗi giờ trong ngày từ Đại Tây Dương đến Thái Bình Dương, và từ Puerto Rico và Mexico City đến Alberta (Canada)”. Vùng phủ sóng lục địa của vệ tinh cũng sẽ rất chi tiết theo từng địa phương, với độ phân giải không gian là 4 dặm vuông, hay phạm vi bao phủ lớn nhất của vệ tinh xấp xỉ 155 dặm vuông.

Tiêu điểm tốt sẽ giúp xác định trực tiếp những khu vực nào có mức độ ô nhiễm cao hoặc thấp, cũng như “nhìn ra” những nguồn cụ thể gây ô nhiễm không khí khác nhau chẳng hạn như nhà máy và trang trại. Phần lớn các hệ thống giám sát chất lượng không khí quay quanh quỹ đạo đều quan sát ô nhiễm không khí ở một địa điểm cụ thể trong ngày, và thường cùng lúc, khi chúng đi qua khi quay quanh trái đất.

Song ô nhiễm không khí (dù là từ xe cộ, các nhà máy điện hay cháy rừng) lại phát ra từ những thời điểm rất khác nhau. Các chất gây ô nhiễm được gió chở đến những địa điểm cách xa nơi sinh ra chúng, và chúng sẽ tạo ra các phản ứng hóa học khi bay trong không khí.

Những vệ tinh hiện tại thiếu khả năng theo dõi môi trường khí quyển liên tục thay đổi này. Ông Kevin Daugherty nhấn mạnh: “Chúng tôi biết rằng vào những thời điểm nhất định trong ngày, ô nhiễm sẽ cao hơn hoặc thấp hơn. Các vệ tinh hiện có thật sự không thể theo dõi xem làm thế nào ô nhiễm thay đổi trong ngày và có thể bỏ lỡ lúc cao điểm của ô nhiễm. Nhưng với dự án mới này, bằng cách quét mỗi giờ ban ngày, chúng tôi có thể thấy những tác động này thay đổi trong ngày”.

Sứ mạng do NASA rót ngân sách sẽ đo nồng độ ô nhiễm của ozone, nito dioxide, sulfur dioxide, formaldehyde và aerosol trong tầng đối lưu - khí quyển thấp nhất tính từ bề mặt trái đất lên cao cỡ 10 dặm. Những báo cáo hàng giờ này sẽ giúp mô hình hóa các nguồn và dịch chuyển ô nhiễm, cũng như làm cách nào mà khí quyển thay đổi trong thời gian thực và trong thời gian dài hơn.

Bằng cách theo dõi những biến thiên trong ô nhiễm không khí trong ngày - một loại thời tiết hóa học - TEMPO sẽ cung cấp dữ liệu nhằm dự báo chất lượng không khí trên khắp lục địa Mỹ nhằm cảnh báo công chúng về mức độ hạt vật chất, những hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, nitrogen dioxide hay các chất hóa học khác làm cho không khí đặc biệt khó chịu.

Các cảm biến trên mặt đất sẽ cho phép những loại cảnh báo này ở một số trung tâm đô thị đông đúc dựa trên Chỉ số chất lượng không khí (AQI) của Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA), nhưng người dân Bắc Mỹ không có tài nguyên như vậy để biết khi nào không khí của họ sạch. TEMPO được mô tả như một phòng thí nghiệm hóa học khí quyển khi sử dụng quang phổ kế nhạy cảm với cả bước sóng hữu hình và tử ngoại. Chiếc gương thu ánh sáng của hệ thống sẽ quét toàn bộ lục địa Mỹ từ Đông sang Tây mỗi giờ vào ban ngày.

Những chất gây ô nhiễm khác nhau sẽ được xem qua ánh nắng mặt trời phản chiếu trên trái đất và hắt trở lại các thiết bị phát hiện của TEMPO, bằng cách chúng hấp thụ tần số từ ánh nắng mặt trời. Ông Kevin Daugherty nhấn mạnh: “Chúng tôi đang quan sát cẩn thận thứ ánh sáng đó để đo độ chính xác mà từ đó có thể xâu chuỗi các loại phân tử từ nó”. Bằng cách xác định địa điểm, đối tượng và thời điểm có ô nhiễm không khí theo một cách chi tiết nhất, TEMPO sẽ giúp ích cho các nhà hoạch định chính sách giảm thiểu những tác hại của ô nhiễm tại nguồn.

Làm việc với SAO của ông Kelly Chance là các chuyên gia của Trung tâm nghiên cứu Langley của NASA, Trung tâm bay vũ trụ Goddard, Cơ quan quản lý hành chính khí quyển và đại dương quốc gia Mỹ (NOAA), Ball Aerospace, và EPA.