Estimation of Aerosol Optical Depth Using MODIS Satellite Data and Its Relation with Particulate Matter Concentration in The Mining Regions

Airborne contaminants occur in the gaseous form or as aerosols. They may exist in the form of airborne dust, sprays, mists, smokes and fumes. According to occupational health study, all these forms may be important because they relate to a wide range of occupational health diseases. The atmosphere in the mines is always associated with dust, fumes and different gasses. Compare to underground coal mines, dust generation at opencast mines is too high. These days to fulfill the demand rate, there is an increasing in the number of opencast coal mines. Those release an enormous amount of dust. Drilling, blasting, loading and unloading, coal handling and transportation are the common sources of air pollution in mines. These air pollutants degraded the air quality, and they have an adverse impact on the health of people, animals and agriculture. Ground-based monitoring of particulate matter has been restricted to few selective sites. To overcome the problem, the present study utilised the Aerosol Optical Depth (AOD) level measured from satellite data to estimate the PM2.5 concentration over different coal mines. Aerosol Optical Depth is the measure of aerosols distributed over the column of air from the earth surface to the atmosphere. The present study analyses Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data to estimate AOD levels. MODIS on board Terra and Aqua satellites are viewing the entire Earth's surface every 1 to 2 days. So that annual, seasonal and diurnal variation of AOD level can be studied. Seasonal/monthly AOD variation were estimated for the year 2014-2015 over the coal mining regions of Odisha state. Diurnal AOD variations were studied during three months (April-June, 2014). The AOD levels were extracted from the AOD maps and used for regression analysis (both simple and multiple) for prediction of particulate matter (PM2.5) dust concentrations

Application of MODIS Products for Air Quality Studies Over Southeastern Italy

Aerosol optical thicknesses (AOTs) by the MODerate Resolution Imaging Spetroradiometer (MODIS) on-board Aqua and Terra satellites, and ground-based measurements of PM10 mass concentrations, collected over three years (2006–2008) at two suburban sites which are 20 km apart, are correlated to assess the use of satellite data for regional air quality studies over Southeastern Italy, in the central Mediterranean. Due to the geographical location, this area is affected by local and long-range transported marine, desert (from Sahara), and anthropogenic (from continental Europe) aerosols. 24-hour averaged PM10 mass concentrations span the 1.6–152 µg/m 3 range. Yearly means of PM10 mass concentrations decrease from 2006 to 2008 and vary within the 26–36 µg/m 3 range. Daily mean values of MODIS AOTs vary up to 0.8 at 550 nm, while yearly means span the 0.15–0.17 range. A first assessment of the regression relationship between daily averaged PM10 mass concentrations and MODIS-AOTs shows that linear correlation coefficients ( R ) vary within the 0.20–0.35 range and are affected by the sampling year and the site location. The PM10-AOT correlation becomes stronger (0.34 ≤ R ≤ 0.57) when the analysis is restricted to clear-sky MODIS measurements. The cloud screening procedure adopted within the AERONET network is used in this study to select clear-sky MODIS measurements, since it allows obtaining larger R values than the ones obtained using the cloud fraction MODIS product to select clear-sky MODIS measurements. Using three years of clear-sky measurements to estimate PM10 mass concentrations from MODIS-AOTs, the empirical relation we have found is: PM10 ( m g/m 3 ) = 25 ( m g/m 3 ) + 65 ( m g/m 3 ) × AOT. Over 80% of the differences between the measured and satellite estimated PM10 mass concentrations over the three years are within ±1 standard deviation of the yearly means. The differences between yearly means of calculated and measured mass concentrations that are close to zero in 2006, increase up to 4 m g/m 3 at one siteand 8 m g/m 3 at the other site in 2008. The PM10 mass concentration decrease from 2006 to 2008 contributes to this last result. Our results demonstrate the potential of MODIS data for deriving indirect estimates of PM10 over Southeastern Italy. It is also shown that a stronger relationship between PM10 and MODIS-AOTs is obtained when the AOT is divided by the product of the mixing layer height with the ground wind speed and the analysis restricted to clear sky MODIS measurements. However, we have found that the stronger correlation (0.52 ≤ R ≤ 0.66) does not allow a significant improvement of MODIS-based-estimates of PM10 mass concentrations

Application of MODIS Products for Air Quality Studies Over Southeastern Italy

Aerosol optical thicknesses (AOTs) by the MODerate Resolution Imaging Spetroradiometer (MODIS) on-board Aqua and Terra satellites, and ground-based measurements of PM10 mass concentrations, collected over three years (2006–2008) at two suburban sites which are 20 km apart, are correlated to assess the use of satellite data for regional air quality studies over Southeastern Italy, in the central Mediterranean. Due to the geographical location, this area is affected by local and long-range transported marine, desert (from Sahara), and anthropogenic (from continental Europe) aerosols. 24-hour averaged PM10 mass concentrations span the 1.6–152 µg/m 3 range. Yearly means of PM10 mass concentrations decrease from 2006 to 2008 and vary within the 26–36 µg/m 3 range. Daily mean values of MODIS AOTs vary up to 0.8 at 550 nm, while yearly means span the 0.15–0.17 range. A first assessment of the regression relationship between daily averaged PM10 mass concentrations and MODIS-AOTs shows that linear correlation coefficients ( R ) vary within the 0.20–0.35 range and are affected by the sampling year and the site location. The PM10-AOT correlation becomes stronger (0.34 ≤ R ≤ 0.57) when the analysis is restricted to clear-sky MODIS measurements. The cloud screening procedure adopted within the AERONET network is used in this study to select clear-sky MODIS measurements, since it allows obtaining larger R values than the ones obtained using the cloud fraction MODIS product to select clear-sky MODIS measurements. Using three years of clear-sky measurements to estimate PM10 mass concentrations from MODIS-AOTs, the empirical relation we have found is: PM10 ( m g/m 3 ) = 25 ( m g/m 3 ) + 65 ( m g/m 3 ) × AOT. Over 80% of the differences between the measured and satellite estimated PM10 mass concentrations over the three years are within ±1 standard deviation of the yearly means. The differences between yearly means of calculated and measured mass concentrations that are close to zero in 2006, increase up to 4 m g/m 3 at one siteand 8 m g/m 3 at the other site in 2008. The PM10 mass concentration decrease from 2006 to 2008 contributes to this last result. Our results demonstrate the potential of MODIS data for deriving indirect estimates of PM10 over Southeastern Italy. It is also shown that a stronger relationship between PM10 and MODIS-AOTs is obtained when the AOT is divided by the product of the mixing layer height with the ground wind speed and the analysis restricted to clear sky MODIS measurements. However, we have found that the stronger correlation (0.52 ≤ R ≤ 0.66) does not allow a significant improvement of MODIS-based-estimates of PM10 mass concentrations

Environmental Influences on Patterns of Atmospheric Particulate Matter: a QuantitativeStudy Using Ground- and Satellite-Based Observations

Luftverschmutzung, insbesondere hohe Konzentrationen von mikroskopischen Partikeln in der Atmosphäre, sogenannte Feinstaubpartikel (PM), haben schwerwiegende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 10$\mu$m (PM10) können in die Atemwege gelangen und bereits eine kurzzeitige Exposition gegenüber hohen PM-Konzentrationen kann zu unmittelbaren negativen Auswirkungen wie Asthmaanfällen führen. Sind Menschen über einen längeren Zeitraum erhöhten PM-Konzentrationen ausgesetzt, kann die Lunge geschädigt werden und das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes steigt. Diese gesundheitlichen Auswirkungen können die Lebenserwartung senken. Obwohl in den letzten Jahrzehnten ein rückläufiger Trend der PM-Konzentrationen in Europa zu verzeichnen ist, liegen die aktuellen PM-Konzentrationen in vielen Mitgliedsstaaten immer noch über den WHO-Empfehlungen, was zur Folge hat, dass die derzeitigen PM-Konzentrationen in vielen Gebieten Europas mit hoher Wahrscheinlichkeit für Menschen schädlich sind. Infolgedessen wurden bereits einige Maßnahmen gegen die Luftverschmutzung umgesetzt, darunter städtische Umweltzonen und andere Einschränkungen für den privaten Autoverkehr. Es sind jedoch weitere Anstrengungen erforderlich, um gesundheitlich unbedenkliche PM-Konzentrationen zu ermöglichen. Um effizientere Strategien für eine bessere Luftqualität zu entwickeln, müssen den Entscheidungsträgern zusammenhängende Informationen über räumlich-zeitliche Muster der PM-Konzentrationen zur Verfügung stehen. Die sogenannte Aerosol Optische Dicke (AOD), die aus satellitengestützten Messungen gewonnen wird, hat das Potenzial, diese Informationen zu liefern. Die AOD stellt das Integral der Partikelbelastung in einer Atmosphärensäule dar, die mit den bodennahen PM-Konzentrationen in Beziehung gesetzt werden kann. Dies ist notwendig, da bodennahe PM-Konzentrationen von besonderer Relevanz sind für die Bestimmung schädlicher Auswirkungen auf den Menschen. Die Verwendung der AOD zur Annäherung der PM-Konzentrationen in Bodennähe bringt jedoch einige Herausforderungen mit sich, da die Beziehung zwischen AOD und PM durch eine Reihe von meteorologischen Parametern beeinflusst wird. Daher wird in dieser Arbeit das Potenzial satellitengestützter AOD zur Bestimmung bodennaher PM-Konzentrationen analysiert und eine Grundlage für die genaue Ableitung zusammenhängender Informationen zur bodennahen Luftverschmutzung durch satellitengestützte AOD geschaffen. Darüber hinaus ist bekannt, dass verschiedene Umweltfaktoren PM-Konzentrationen beeinflussen und die Luftverschmutzung verstärken können. Um die Wirksamkeit von Strategien zur Verbesserung der Luftqualität wissenschaftlich beurteilen zu können, müssen die Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf die PM-Konzentrationen von anthropogenen Emissionen getrennt werden. In dieser Arbeit wird das wissenschaftliche Verständnis der Umwelteinflüsse auf die PM-Konzentrationen und die Entwicklung von Phasen starker Verschmutzung in Bezug auf die atmosphärischen Umgebungsbedingungen erweitert. In dieser Arbeit werden drei zusammenhängende Studien vorgestellt, die sich jeweils mit einer Hauptforschungsfrage befassen. Diese Hauptforschungsfragen zusammen mit den Hauptergebnissen sind: Wie beeinflussen die meteorologischen Bedingungen die statistische Beziehung zwischen AOD und PM? Eine für den Nordosten Deutschlands durchgeführte Studie zeigt einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen AOD und PM10 in Bodennähe auf, was auf den Einfluss der meteorologischen Parameter relative Luftfeuchtigkeit (RH), Grenzschichthöhe (BLH), Windrichtung und Windgeschwindigkeit zurückzuführen ist. Wenn eine relativ trockene Atmosphäre (30%80%) erhöht sich die AOD durch die Feuchtigkeitsaufnahme der Partikel und dem dadurch verursachten hygroskopischen Partikelwachstum. Dies führt zu einer relativen Überschätzung der trockenen Partikelkonzentration in Bodennähe, wenn diese auf Basis der AD approximiert wird. Dieser Effekt kann jedoch durch höhere PM10-Messwerte bei niedrigen Grenzschichten (<600m) kompensiert werden, was schließlich zu AOD- und PM10-Satellitenmessungen in ähnlicher Größenordnung führt. Die Windrichtung beeinflusst die Beziehung zwischen AOD und PM10 durch den Transport von Luftmassen mit unterschiedlichen Eigenschaften in das Untersuchungsgebiet. Unter Bedingungen, die von westlichen Luftmassen dominiert werden, ist die Wahrscheinlichkeit vergleichsweise hoch, dass die AOD bei Anwendung einer semiquantitativen Skala relativ höher ist als die PM10-Beobachtung. Dies deutet auf eine Überschätzung der PM10-Konzentrationen auf Basis der AOD hin. Westliche Luftmassen sind häufig marinen Ursprungs und haben damit tendenziell eine höhere RH und enthalten einen hohen Gehalt an Meersalzen. Meersalze sind hydrophil und fördern das hygroskopische Wachstum von Partikeln, wodurch wiederum die AOD erhöht wird. Die Analyse des Zusammenhangs zwischen AOD und PM10 zeigt, dass die Berücksichtigung der Parameter RH, BLH und Wind notwendig ist, wenn Schätzungen von PM10 auf Basis von satellitengestützter AOD angestrebt werden. Das in dieser Studie vorgestellte Konzept der Normalisierung der AOD / PM10-Datenpaare eignet sich für die Anwendung in anderen Untersuchungsgebieten. Die Erkenntnisse dieser Studie haben das Potenzial, zukünftige Abschätzungen bodennaher PM-Konzentrationen auf Basis von Satelliten-AOD zu verbessern. Was sind die bestimmenden Einflussfaktoren auf PM10-Konzentrationen, wenn diese auf Basis der vorherrschenden Umweltbedingungen und AOD abgeschätzt werden? Ein statistisches Modell wird zur Vorhersage in Deutschland gemessener PM10-Konzentrationen auf Basis satellitengestützter AOD und unter Berücksichtigung der Umweltbedingungen aufgesetzt. Sensitivitätsanalysen an diesem Modell zeigen, dass die wichtigsten Einflussfaktoren auf die modellierten PM10-Konzentrationen die Ost-West-Windströmung, die BLH und die Temperatur sind. Einströmung von Luftmassen aus östlichen Richtungen über mehrere Tage hinweg erhöht die modellierten PM10-Konzentrationen im Durchschnitt um $\sim$10$\mu$g/m$^3$ im Vergleich zu Situationen, die von westlichem Einstrom dominiert werden. Dies ist auf grenzüberschreitenden Partikeltransport aus Ländern östlich von Deutschland zurückzuführen. Modellierte PM10-Konzentrationen für niedrige BLHs (<800m) erhöhen sich um durchschnittlich $\sim$10$\mu$g/m$^3$ aufgrund der Akkumulation von Partikeln in Bodennähe. Dieser Mechanismus erweist sich im Winter und Herbst als besonders wichtig. Im Sommer zeigen die Modellergebnisse eine deutliche Erhöhung der PM10-Vorhersagen (bis zu $\sim$12$\mu$g/m$^3$ bei um 15K erhöhten Temperaturen). Dies ist auf eine verstärkte biogenene Aktivität und erhöhte Staubaufwirbelung aufgrund ausgetrockneter Böden zurückzuführen. Im gleichen Modell-Setup zeigen Sensitivitätsanalysen, dass die AOD positiv mit PM10 korreliert, aber BLH und die Ost-West-Windkomponente die Beziehung zwischen AOD und PM10 wesentlich beeinflussen. AOD und PM10 korrelieren im Sommer schwächer, da dann die Partikel innerhalb einer höheren Grenzschicht stärker verteilt sind und die AOD weitgehend von den höher in der Atmosphäre befindlichen Partikeln bestimmt wird. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die AOD zur Beurteilung der Luftqualität am Boden verwendet werden kann, wenn sie durch eine statistische Modellierung mit meteorologischen Umgebungsbedingungen verknüpft wird. Darüber hinaus wird der starke Einfluss der meteorologischen Bedingungen auf die PM10-Konzentrationen aufgezeigt. Wie bestimmen atmosphärische Prozesse die Konzentration verschiedener chemischer Bestandteile von PM1 auf lokaler Ebene? Atmosphärische Einflussfaktoren auf Konzentrationen von Feinstaubpartikeln, die kleiner als 1$\mu$m (PM1) sind, und deren chemischen Hauptbestandteile, werden analysiert. Der Fokus liegt dabei auf den Prozessen, die zu Phasen mit hoher Schadstoffbelastung führen. Ein statistisches Modell wird aufgestellt, um die täglichen Schwankungen der PM1-Konzentrationen unter Berücksichtigung der meteorologischen Bedingungen zu reproduzieren. Dafür werden Daten eines suburban-geprägten Standorts südwestlich von Paris, Frankreich, verwendet. Sensitivitätsanalysen des Modells deuten darauf hin, dass Spitzenkonzentrationen von PM1 im Winter durch die bodennahe Partikelakkumulation bei niedrigen BLHs in Kombination mit der Bildung neuer Partikel und erhöhten Heizungsemissionen bei niedrigen Temperaturen (<$\sim$5$^{\circ}$C) verursacht werden. Im Sommer sind die Spitzenkonzentrationen von PM1 im Allgemeinen niedriger als im Winter. Erhöhte PM1-Konzentrationen treten jedoch auf, wenn windstille Bedingungen mit hohen Temperaturen zusammentreffen, die zu photochemisch induzierten Partikelbildungsprozessen führen. Der Transport verschmutzter Luft aus der Pariser Region führt in beiden Jahreszeiten zu einem deutlichen Anstieg der PM1-Konzentrationen. Hochaufgelöste Fallstudien zeigen eine große Variabilität der Prozesse, die zu Phasen starker Verschmutzung führen. Die Prozesse variieren nicht nur zwischen, sondern auch innerhalb der Jahreszeiten. Die Modellergebnisse zeigen beispielsweise für eine Phase starker Luftverschmutzung im Januar 2016, dass diese durch einen Temperaturabfall verursacht wurde, was die modellierten PM1 Konzentrationen um bis zu 11$\mu$g/m$^3$ erhöht. Dies wird auf eine verstärkte Bildung von sekundären anorganischen Aerosolen (SIA) und einen Anstieg der lokalen Heizungsemissionen zurückgeführt. Im Gegensatz dazu werden im Dezember 2016 hohe PM1-Konzentrationen hauptsächlich durch eine niedrige BLH und Partikeladvektion aus dem Raum Paris verursacht. Ein beobachteter Rückgang der Schadstoffkonzentrationen während dieser Phase hängt mit einer Änderung der Windrichtung zusammen, die weniger belastete, maritime Luftmassen herantransportiert, was zu einem Rückgang der PM1-Konzentrationen von $\sim$4$\mu$g/m$^3$ führt. Obwohl sich diese Ergebnisse auf lokale Ereignisse beziehen, sind die Ergebnisse verallgemeinerbar und auch für andere Regionen relevant. Dies betrifft beispielsweise die Relevanz der Bildung neuer Partikel während kalter Temperaturen oder die Akkumulation von Partikeln in bodennahen Atmosphärenschichten durch eine niedrige BLH. Der Einfluss transportierter Partikel unterstreicht die Notwendigkeit großräumiger Maßnahmen zur Senkung des atmosphärischen Partikelgehalts. Diese Arbeit liefert ein quantitatives Verständnis der Beziehung zwischen AOD und PM10 und schafft damit eine Grundlage für Abschätzungen von PM auf Basis von AOD. Diese PM-Abschätzungen sind von großem Nutzen für die Identifizierung von stark verschmutzten Gebieten und zur langfristigen Beobachtung der Luftqualität auf großen räumlichen Skalen. Darüber hinaus ist das wissenschaftliche Verständnis der Umweltprozesse, die PM-Konzentrationen beeinflussen, wichtig, um atmosphärische Prozesse bei der Entwicklung von Strategien zur Schadstoffminderung berücksichtigen zu können

Satellite remote sensing of particulate matter and air quality assessment in the Western Cape, South Africa.

Master of Science in Environmental Sciences. University of KwaZulu-Natal, Durban 2016.Particulate Matter (PM) is a health risk, even at low ambient concentrations in the atmosphere. The analysis of ambient PM is important in air quality management in South Africa in order to suggest recommendations for pollution abatement. However the cost to monitor or to model surface concentrations are high. Satellite remote sensing retrievals of Aerosol Optical Depth (AOD) are cost effective and have been used in conjunction with surface measurements of PM concentrations for regional air quality studies. The aim of the study was to determine the extent to which AOD could be used as a proxy for air quality analysis of PM pollution in the Western Cape, South Africa. Surface concentrations of particles with diameter 10 μm or less (PM10) measured at Air Quality Monitoring (AQM) stations in George and Malmesbury in 2011 were evaluated using temporal air quality analysis. The AOD were retrieved from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) sensor onboard the Terra and Aqua satellites. Temporal trends of the AOD over Malmesbury and George AQM stations were determined and the extent of the AOD-PM10 relationship quantified through statistical correlation. Additionally meteorological parameters, including wind speed, temperature, rainfall and relative humidity measured at the AQM stations, were included in the study and their impact on AOD-PM10 trends was analysed. The annual AOD-PM10 correlations over Malmesbury in 2011 ranged between 0.24 and 0.36, while the correlations over George ranged between 0.24 and 0.34. A temporal mismatch was observed between seasonal PM10 concentrations and AOD at both sites. The AOD-PM10 relationship over Malmesbury and George were weak, suggesting that the AOD cannot easily be used as a proxy within the air quality analysis of PM10 concentrations measured at Malmesbury and George AQM stations. Specific meteorological conditions were found to be important confounding factors when observing AOD and PM10 trends. In spite of a few weaknesses in current satellite data products identified in this analysis, this study showed that improvements can be made to the use of satellite aerosol remote sensing as a proxy for ground level PM10 mass concentration by addressing the meteorological confounders of the AOD-PM10 relationship