تحلیل فضایی و زمانی توزیع آلاینده‌ی متان در مناطق کلان‌شهری با استفاده از سنجش‌ازدور و سیستم اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: کلان‌شهر اصفهان)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد سنجش‌ازدور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه ریزی، دانشگاه اصفهان، ایران

2 استادیار گروه جغرافیا و برنامه ریزی شهری، دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه ریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

3 استاد گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه ریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

سابقه و هدف: آلودگی هوا یکی از چالش‌های مهم زیست‌محیطی و بهداشتی است که با رشد صنعتی و افزایش فعالیت‌های انسانی به‌ویژه در شهرهای بزرگ و صنعتی تشدید شده است. گاز متان به‌عنوان یکی از قوی‌ترین گازهای گلخانه‌ای نقش چشمگیری در گرمایش جهانی، تغییرات اقلیمی، و کاهش کیفیت هوا ایفا می‌کند. منابع انتشار این گاز شامل تالاب‌ها، دامداری‌ها، کشاورزی، و دفن زباله است که فعالیت‌های انسانی سهم قابل‌توجهی در افزایش آن دارند. اندازه‌گیری و پایش آلودگی هوا اغلب با محدودیت‌های مکانی و زمانی ایستگاه‌های سنجش زمینی مواجه است. در این راستا، داده‌های ماهواره‌ای به‌دلیل پوشش گسترده، هزینه بهینه و توانایی ارائه داده‌های با وضوح مکانی و زمانی بالا، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین منابع اطلاعاتی برای مطالعه آلودگی هوا مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این پژوهش، از داده‌های سنجنده TROPOMI بر روی ماهواره Sentinel-5P، که امکان اندازه‌گیری غلظت گاز متان در جو را فراهم می‌کند، به‌عنوان منبع اصلی داده استفاده شده است. این داده‌ها مبنای تحلیل فضایی و زمانی توزیع متان در محدوده کلان‌شهر اصفهان بوده و امکان بررسی دقیق الگوهای مکانی و زمانی این آلاینده را در سطح گسترده فراهم کرده‌اند. باوجود اهمیت بالای آلودگی متان، تاکنون مطالعه‌ای جامع در خصوص تحلیل توزیع مکانی و زمانی این آلاینده در کلان‌شهر اصفهان انجام‌نشده است. هدف این پژوهش، تحلیل جامع و سیستماتیک توزیع متان در شهر اصفهان با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای و شناسایی ارتباط میان تغییرات عوامل جوی و تغییرات گاز متان است تا راهکارهایی موثر برای مدیریت آلودگی هوا و بهبود کیفیت زیست‌محیطی ارائه شود.

مواد و روش‌ها: این پژوهش با هدف تحلیل مکانی و زمانی توزیع غلظت متان در کلان‌شهر اصفهان، از داده‌های سنجنده TROPOMI مستقر بر ماهواره Sentinel-5P در بازه زمانی 1398 تا 1402 استفاده کرده است. داده‌های ماهواره‌ای با بهره‌گیری از سامانه گوگل ارث انجین فراخوانی، پردازش و تحلیل شدند. برای بررسی الگوی توزیع مکانی غلظت متان، شاخص موران جهانی و آماره G به‌منظور تحلیل خوشه‌ها و تعیین نحوه پراکنش داده‌ها به کار رفت. علاوه بر این، از آماره Gi برای شناسایی مناطق دارای بیشترین (نقاط داغ) و کمترین (نقاط سرد) غلظت متان استفاده شد. همچنین، ارتباط میان غلظت متان و عوامل اقلیمی مانند دما، فشار هوا، میزان بارش و سرعت باد از طریق محاسبه ضریب همبستگی پیرسون ارزیابی گردید. در نهایت، روند تغییرات زمانی غلظت متان در مقیاس‌های ماهانه، فصلی و سالانه مورد تحلیل قرار گرفت.

نتایج و بحث: نتایج حاصل از تحلیل‌های انجام‌شده نشان‌دهنده روند افزایشی غلظت گاز متان در کلان‌شهر اصفهان طی دوره زمانی مورد مطالعه بوده است. این گاز در فصول سرد سال به‌ویژه در نواحی صنعتی و کشاورزی بیشترین غلظت را تجربه کرده است. بررسی‌های مکانی نشان‌دهنده تشکیل خوشه‌های قابل توجهی از غلظت‌های بالا در مناطق شمالی، به‌ویژه مناطق 4 و 7، و همچنین مناطق شرقی، به‌ویژه مناطق 12 و 15، می‌باشد که به‌دلیل فعالیت‌های مرتبط با دامداری، کشاورزی و دفن زباله، غلظت‌های بالای متان را در این مناطق به‌دنبال داشته است. در مقابل، نواحی جنوبی، به‌ویژه مناطق 2 و 6، و همچنین بخش‌هایی از نواحی غربی به‌عنوان نقاط سرد با غلظت‌های پایین‌تر شناخته شدند. علاوه بر این، ارزیابی ارتباط پارامترهای اقلیمی نشان داد که دما و سرعت باد به‌طور معکوس با تغییرات غلظت متان در ارتباط بوده‌اند، در حالی‌که فشار هوا نشان‌دهنده رابطه‌ی مثبت و معناداری با تغییرات غلظت این گاز بود.

نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش، که مبتنی بر تحلیل داده‌های ماهواره‌ای با دقت بالا و روش‌های پیشرفته سنجش مکانی است، اطلاعات ارزشمندی را در زمینه مدیریت آلودگی هوا و برنامه‌ریزی شهری فراهم می‌آورد. بر این اساس، پیشنهاد می‌شود پایش و کنترل انتشار متان با اولویت‌بندی فصول سرد سال و تمرکز بر مناطق شناسایی‌شده به‌عنوان نقاط داغ انجام گیرد. در این راستا، بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی، مدیریت کارآمد پسماندها در نواحی شرقی اصفهان و کنترل انتشار متان از دامداری‌های شمالی با بهره‌گیری از فناوری‌های نوین، ازجمله روش‌های تصفیه زیستی، می‌تواند به‌طور مؤثری در کاهش این آلاینده نقش ایفا کند. علاوه بر این، استفاده از داده‌های سنجش از دور و مدل‌های پیش‌بینی پیشرفته برای پایش مداوم غلظت متان و اجرای راهکارهای کنترل آلودگی به‌صورت هدفمند، به‌عنوان یک راهبرد مؤثر توصیه می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Spatial and Temporal Analysis of Methane Pollutant Distribution in Metropolitan Areas Using Remote Sensing and Geographic Information Systems (Case Study: Isfahan Metropolis)

نویسندگان [English]

  • Ahmadreza Aboutorabi Boarzabadi 1
  • Ali Sadeghi 2
  • Dariush Rahimi 3
1 M.Sc. in Remote Sensing and Geographic Information Systems, Department of Physical Geography, Faculty of Geographical Sciences and Planning, University of Isfahan, Isfahan, Iran
2 Assistant Professor, Department of Geography and Urban Planning, Faculty of Geographical Sciences and Planning, University of Isfahan, Isfahan, Iran
3 Professor, Department of Physical Geography, Faculty of Geographical Sciences and Planning, University of Isfahan, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Air pollution is one of the major environmental and health challenges that has been exacerbated by industrial growth and increased human activity, particularly in large and industrial cities. Methane gas, as one of the most potent greenhouse gases, plays a significant role in global warming, climate change, and the deterioration of air quality. The sources of methane emissions include wetlands, livestock farming, agriculture, and landfill sites, with human activities contributing significantly to its increase. Measuring and monitoring air pollution often faces spatial and temporal limitations due to ground-based monitoring stations. In this context, satellite data, due to its wide coverage, cost-effectiveness, and ability to provide high spatial and temporal resolution data, is used as one of the most important sources of information for studying air pollution. This research utilizes data from the TROPOMI sensor on the Sentinel-5P satellite, which enables the measurement of methane concentrations in the atmosphere, as the primary data source. These data serve as the basis for spatial and temporal analysis of methane distribution in the Isfahan metropolitan area, providing an opportunity to closely examine the spatial and temporal patterns of this pollutant on a large scale. Despite the high importance of methane pollution, no comprehensive study has been conducted regarding the spatial and temporal distribution of this pollutant in Isfahan. The aim of this research is to conduct a comprehensive and systematic analysis of methane distribution in the city of Isfahan using satellite data and identify the relationship between atmospheric changes and methane variations to offer effective solutions for air pollution management and environmental quality improvement.

Materials and Methods: This study aims to analyze the spatial and temporal distribution of methane concentration in the Isfahan metropolitan area using TROPOMI sensor data from the Sentinel-5P satellite over the period from 2019 to 2023. Satellite data were retrieved, processed, and analyzed using the Google Earth Engine platform. To examine the spatial distribution pattern of methane concentration, the Global Moran’s I index and G-statistic were applied to analyze clusters and determine the data dispersion. Additionally, the Gi-statistic was used to identify areas with the highest (hot spots) and lowest (cold spots) methane concentrations. Furthermore, the relationship between methane concentration and climatic factors such as temperature, air pressure, precipitation, and wind speed was evaluated through the calculation of Pearson’s correlation coefficient. Finally, the temporal trends of methane concentration were analyzed on a monthly, seasonal, and annual scale.

Results and Discussion: The results from the analyses indicate an increasing trend in methane concentration in the Isfahan metropolitan area during the study period. This gas experienced the highest concentrations in the colder seasons, especially in industrial and agricultural areas. Spatial analyses revealed significant clusters of high concentrations in the northern regions, particularly in areas 4 and 7, as well as in the eastern areas, particularly in areas 12 and 15. These high methane concentrations were linked to activities such as livestock farming, agriculture, and landfill operations. In contrast, the southern regions, particularly areas 2 and 6, as well as some parts of the western areas, were identified as cold spots with lower concentrations. Furthermore, the assessment of the relationship between climatic parameters showed an inverse correlation between temperature and wind speed with methane concentration changes, while air pressure exhibited a positive and significant relationship with the gas concentration changes.

Conclusion: The results of this study, based on high-precision satellite data analysis and advanced spatial measurement techniques, provide valuable information for air pollution management and urban planning. Accordingly, it is recommended that methane emission monitoring and control be prioritized during the colder seasons, with a focus on the identified hot spots. In this regard, optimizing industrial processes, efficiently managing waste in the eastern parts of Isfahan, and controlling methane emissions from northern livestock farms using modern technologies, including bioremediation methods, can play an effective role in reducing this pollutant. Additionally, the use of remote sensing data and advanced predictive models for continuous methane concentration monitoring and targeted pollution control strategies is recommended as an effective approach.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Methane Pollutant
  • Sentinel-5P
  • Remote Sensing
  • Isfahan Metropolis
  • Spatial and Temporal Analysis