การวิเคราะห์สารมลพิษที่เกี่ยวข้องและสร้างแบบจำลองสำหรับประมาณค่าความเข้มข้นของฝุ่น PM2.5 ด้วยข้อมูลภาพดาวเทียม ในภาคเหนือตอนบนของประเทศไทย

บทคัดย่อ

วัตถุประสงค์และที่มา : มลพิษทางอากาศ เป็นภาวะที่อากาศมีการปนเปื้อนของสารหรือสิ่งปนเปื้อนปริมาณมากในระยะเวลาที่ยาวนานมากพอจนเกิดอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต สิ่งปนเปื้อนเหล่านี้อาจอยู่ในรูปของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ สารมลพิษทางอากาศที่ส่งผลต่อสุขภาพอนามัยของมนุษย์มีหลายชนิด เช่น ฝุ่นละอองขนาดเล็ก (PM) ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO₂) ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) สารตะกั่ว (Lead, Pb) ก๊าซโอโซน (O₃) และสารอินทรีย์ระเหยง่าย การอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีมลพิษทางอากาศทำให้เกิดความเสี่ยงในการเกิดโรคร้ายแรงตามมา เช่น โรคระบบทางเดินหายใจ และโรคระบบหัวใจหลอดเลือด การตรวจวัดคุณภาพอากาศในระดับภาคพื้นดินของประเทศไทยยังคงมีข้อจำกัดหลายประการ เช่น จำนวนสถานีตรวจวัดที่มีจำกัดและความครอบคลุมที่ไม่ทั่วถึงในหลาย ๆ พื้นที่ โดยเฉพาะในพื้นที่ห่างไกลหรือชนบทที่ไม่มีการติดตั้งสถานีตรวจวัด อาจทำให้เกิดผลเสียต่อประชาชนกลุ่มเปราะบางในด้านการป้องกันสุขภาพ โดยลักษณะของอนุภาคฝุ่นละอองขนาดเล็ก ควัน และมลพิษทางอากาศมีคุณสมบัติในการดูดกลืนและสะท้อนรังสีจากดวงอาทิตย์ และมีเพียงบางส่วนเท่านั้นที่สามารถเดินทางมาถึงพื้นโลกได้ จึงสามารถประยุกต์ใช้ค่าความลึกเชิงแสงของละอองลอย ในการตรวจสอบปริมาณรังสีที่มาจากดวงอาทิตย์ที่ได้รับผลกระทบจากอนุภาคแขวนลอยในอากาศก่อนจะเดินทางมายังโลก แสดงความสัมพันธ์ของสัดส่วนอนุภาคที่วัดได้เหนือพื้นดินในแนวดิ่งกับค่าอนุภาคในบริเวณพื้นผิวดิน การศึกษาครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 กับมลพิษทางอากาศที่เกี่ยวข้องในพื้นที่ภาคเหนือตอนบนของประเทศไทยและสร้างแบบจำลองสำหรับการประมาณค่าสารมลพิษทางอากาศโดยใช้ข้อมูลภาพดาวเทียมรายวัน ตั้งแต่ มกราคม พ.ศ.2557 ถึง ธันวาคม พ.ศ.2566 จำนวน 2,721 ภาพ และแบ่งผลการศึกษาเปรียบเทียบเป็นรายฤดูกาลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยำของแบบจำลอง การนำเทคโนโลยีรีโมทเซนซิงมาประยุกต์ใช้งานไม่เพียงช่วยเพิ่มความครอบคลุมในการตรวจวัดคุณภาพอากาศ แต่ยังเป็นการสนับสนุนการวางแผนเชิงนโยบาย การวิจัย และการจัดการด้านสิ่งแวดล้อมในระยะยาว ทำให้สามารถรับมือกับปัญหามลพิษทางอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

วิธีดำเนินการวิจัย : ข้อมูลที่ใช้ในการศึกษาประกอบด้วย 1) ข้อมูลค่าความลึกเชิงแสงของละอองลอย (AOD) จากผลิตภัณฑ์ MCD19A2v061 เป็นข้อมูลที่ได้จากเซนเซอร์ MODIS บนดาวเทียม Terra และ Aqua ใช้สำหรับวิเคราะห์ปริมาณละอองลอยในชั้นบรรยากาศ และ 2) ข้อมูลการตรวจวัดภาคพื้นดินของฝุ่น PM_2.5 และสารมลพิษทางอากาศที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO₂) และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) จากกองจัดการคุณภาพอากาศและเสียง กรมควบคุมมลพิษ ในส่วนของการวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 กับมลพิษทางอากาศที่เกี่ยวข้อง ใช้ข้อมูลการตรวจวัดภาคพื้นดินมาวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรทีละคู่ด้วยสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์เพียร์สัน (Pearson correlation) และการสร้างแบบจำลองใช้ข้อมูลการตรวจวัดภาคพื้นดินของฝุ่น PM_2.5 และสารมลพิษทางอากาศแต่ละชนิดมาหาวิเคราะห์ร่วมกับค่า AOD ด้วยแบบจำลองจากสมการถดถอย 6 แบบ ได้แก่ แบบเส้นตรง (Linear model)แบบล็อกการิธมิค (Logarithmic model) แบบควอดราติกส์ (Quadratic model) แบบคิวบิค (Cubic model) แบบเลขยกกำลัง (Power model) และแบบเอ็กโปเนนเชียล (Exponential model) เพื่อหาสมการที่ดีที่สุด หลังจากนั้นดำเนินการตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลอง (Validation) โดยนำค่าความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 และสารมลพิษทางอากาศที่ประมาณค่าด้วยแบบจำลอง (Estimated) มาเปรียบเทียบกับค่าความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 และสารมลพิษทางอากาศจากสถานีตรวจวัดภาคพื้นดิน (Observed)

ผลการวิจัย : ผลการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างฝุ่น PM_2.5 กับมลพิษทางอากาศที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO₂) และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) ด้วยการวิเคราะห์สัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์เพียร์สัน (Pearson correlation) แสดงให้เห็นความแตกต่างของความสัมพันธ์ตามช่วงฤดูกาล โดยความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 กับ ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์มีความสัมพันธ์สูงที่สุดในช่วงฤดูร้อน (R² = 0.789) ขณะที่ในช่วงฤดูหนาวมีความสัมพันธ์ปานกลาง (R² = 0.560) และในช่วงฤดูฝนมีความสัมพันธ์ต่ำที่สุด (R² = 0.124) สำหรับความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 กับก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ พบความสัมพันธ์ปานกลางในช่วงฤดูหนาว (R² = 0.501 และ R² = 0.395 ตามลำดับ) ส่วนในช่วงฤดูร้อนและฤดูฝนพบความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 กับก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ต่ำที่สุด (R² = 0.103, R² = 0.018 และ R² = 0.002, R² = 0.001 ตามลำดับ) ผลการสร้าแบบจำลองพบว่าข้อมูลการตรวจวัดภาคพื้นดินของฝุ่น PM_2.5 และก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์มีความสัมพันธ์แบบคิวบิค (Cubic model)กับค่า AOD  โดยแบบจำลองในช่วงฤดูร้อนมีความเหมาะสมสูงที่สุดด้วยค่า R² = 0.923 และ R² = 0. 823 ตามลำดับ การประเมินประสิทธิภาพของแบบจำลองสำหรับประมาณค่าความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 มีความถูกต้องรวมร้อยละ 92.5 ส่วนการประมาณค่าความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์มีความถูกต้องรวมร้อยละ 80 เมื่อพิจารณาแนวโน้มความเข้มข้นรายเดือนระหว่างค่าที่ได้จากการประมาณด้วยแบบจำลองกับค่าจริงจากการตรวจวัดที่สถานี พบว่าค่าความเข้มข้นของทั้งสองชุดข้อมูลมีแนวโน้มใกล้เคียงกัน

สรุปผลการวิจัย : การวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างฝุ่น PM_2.5 และก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์พบว่ามีความสัมพันธ์ระหว่างกัน สูงที่สุดในช่วงฤดูร้อน เนื่องจากการเผาไหม้ในพื้นที่เกษตรกรรมหรือการเกิดไฟป่าที่เป็นสาเหตุหลักของการเกิดมลพิษทางอากาศที่มักเกิดในช่วงฤดูร้อนในพื้นที่ภาคเหนือตอนบนของประเทศไทย ในช่วงฤดูหนาวพบความสัมพันธ์ปานกลาง และในช่วงฤดูฝนพบความสัมพันธ์ต่ำที่สุด ส่วนค่าความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 กับก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ และค่าความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 กับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์พบว่ามีความสัมพันธ์ปานกลางในช่วงฤดูหนาว เนื่องจากอิทธิพลของปรากฏการณ์อุณหภูมิผกผันที่กักเก็บมลพิษเอาไว้ ส่วนในช่วงฤดูร้อนและฤดูฝนพบว่ามีความสัมพันธ์ที่ต่ำมาก โดยเฉพาะในช่วงฤดูฝนที่มีปริมาณน้ำฝนช่วยลดความเข้มข้นของมลพิษทางอากาศผ่านกระบวนการชะล้างมลพิษ (Wet Deposition) พื้นที่ภาคเหนือตอนบนของประเทศไทยมักเผชิญปัญหามลพิษทางอากาศรุนแรง โดยเฉพาะค่าฝุ่น PM_2.5  ที่สูงเกินค่ามาตรฐานคุณภาพอากาศที่กำหนด โดยเฉพาะในช่วงเดือนกุมภาพันธ์ถึงพฤษภาคมมลพิษทางอากาศในช่วงเวลาดังกล่าวอยู่ในระดับที่เริ่มมีผลกระทบต่อสุขภาพถึงระดับที่มีผลกระทบต่อสุขภาพและอาจส่งผลกระทบต่อการเกิดปัญหาสุขภาพทั้งในระยะสั้นและระยะยาว ในการศึกษาครั้งนี้ได้พัฒนาแบบจำลองสำหรับประมาณค่าความเข้มข้นของฝุ่น PM_2.5 และมลพิษทางอากาศที่เกี่ยวข้อง โดยใช้ค่าความลึกเชิงแสงของละอองลอย (AOD) ร่วมกับข้อมูลการตรวจวัดคุณภาพอากาศจากสถานีตรวจวัดคุณภาพอากาศภาคพื้นดิน ผลการศึกษาพบว่าแบบจำลองที่ได้เมื่อนำมาวิเคราะห์ผ่านภาพถ่ายดาวเทียมมีความแม่นยำสูง สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับพื้นที่ที่ไม่มีสถานีตรวจวัดคุณภาพอากาศภาคพื้นดิน ซึ่งเป็นประโยชน์กับหน่วยงานที่เกี่ยวข้องสามารถดำเนินมาตรการป้องกันและแก้ไขปัญหามลพิษทางอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น