Экологический мониторинг. 
Мониторинг загрязнения окружающей среды

В результате изучения главы 10 студент должен: знать

• • различные виды дистанционного ЭМ ОС;
• • виды контроля антропогенного воздействия на ОС; уметь
• • использовать дистанционные методы контроля ОС;
• • выбирать методы и СИ для проведения ЭМ;
• • оценивать отрицательное антропогенное воздействие на ОС; владеть
• • методами оценки антропогенного воздействия па ОС.

Оптический экологический мониторинг

Исследование атмосферы Земли является сложной многопараметрической задачей, определяемой ее составом (атомарные и молекулярные газы, примеси), сложностью структуры (горизонтальная и вертикальная неоднородность), ярко выраженной временной динамичностью (суточная, сезонная, годовая, широтная и т. д.).

Основные источники газовых составляющих атмосферы разделяют на естественные и антропогенные. С учетом влияния на экологическое состояние ОС особую роль играют химически активные газовые составляющие, участвующие в фотохимических газовых реакциях, что может приводить к трансгенерации, т. е. образованию вторичных токсичных газовых компонентов.

Электромагнитный спектр излучения Солнца хорошо аппроксимируется излучением абсолютно черного тела с температурой -6000 К. Атмосферные слои фильтруют солнечное излучение таким образом, что рентгеновское и УФ-излучение с X < 0,3 мкм поглощается в верхних слоях атмосферы.

Пассивный вариант абсорбционного метода наблюдения за состоянием атмосферы основан на измерении поглощения детектируемыми газами прямого излучения Солнца, Луны или звезд, а также рассеянного дневным небом излучения Солнца.

Измерения, проводимые с поверхности Земли, используют, как правило, для определения общего содержания компонента в атмосфере.

где C (h) — концентрация детектируемого компонента в слое атмосферы на высоте h.

Общее содержание газа в атмосфере часто выражают в атмометрах (атм-м) и в виде произведения относительной объемной концентрации на длину (млн^_1м) Измерения со спутников проводят при входе и выходе из тени Земли, поэтому такой метод называют «метод затменного зондирования».

Измерения концентраций газов-примесей вблизи источников выброса загрязнений и во всей толще атмосферы можно проводить с использованием широкополосных корреляционных приборов, а также чувствительной аппаратуры высокого и сверхвысокого разрешения.

Активные спектрально-оптические методы дистанционного анализа газового состава атмосферы основаны на использовании процессов поглощения, рассеяния и флуоресценции, возникающих при прохождении излучения искусственного источника (лампы или лазера) через атмосферу.

Соответственно различают методы: абсорбционный, комбинационного рассеяния и резонансной флуоресценции (см. гл. 6).

Реализацию абсорбционного метода на основе обычного (нелазерного) искусственного источника излучения проводят на квазиоднородных горизонтальных трассах протяженностью 1 км и более.

Концентрацию компонентов, усредненную вдоль трассы, можно определить по отношению сигналов приемника в интервалах сильного и слабого поглощения детектируемым компонентом.

Лазерный источник излучения обеспечивает абсорбционному методу более широкие возможности, чем обычный (тепловой) источник света. Измерения в приземном слое атмосферы могут проводиться с использованием искусственного отражателя или естественных объектов (элементов рельефа, построек, растительности) в качестве отражателей (интегральный метод). Возможно также измерение поглощения атмосферой лазерного импульса, рассеянного обратно содержащимся в атмосфере аэрозолем. Вариант измерительной схемы с размещением лазера на одном конце трассы, а приемной системы — па другом, почти не применяется.

Мощность лазерного излучения Р, прошедшего через атмосферу по квазиоднородной трассе и поступившего в приемную систему лазерной установки, равна.

где Р₀ — мощность излучения лазера на частоте генерации /; к — коэффициент прочих потерь (из-за неполного перехвата лучей отражателем или приемной системой, а также неполного отражения луча); К — коэффициент потерь в оптике прибора; / — длина трассы; k_a(f) — коэффициент ослабления аэрозолем излучения с частотой /; k_tj (J) — коэффициент поглощения 2-й линии у-го компонента на частоте /; Cj — относительная объемная концентрация j-го компонента.

Наиболее распространенным вариантом активного абсорбционного метода является двухчастотный или метод сравнительного (дифференциального) поглощения. При этом разность частот генерации, выбираемых в спектральных интервалах сильного и слабого поглощения измеряемым компонентом, должна быть минимально возможной, чтобы коэффициенты поглощения другими компонентами атмосферы и неопределяемые компоненты оказались по возможности одинаковыми на обеих линиях генерации.

На рис. 10.1 показан трассовый газоанализатор, принцип действия которого основан на анализе поглощения оптического излучения на специфических для каждого вещества длинах волн.

Прибор позволяет:

• • измерять до 40 загрязнителей (S0₂, N0₂, CS₂, 0₃, бензол, толуол, фенол, ксилол и др.);
• • одновременно определять до 10 загрязнителей;
• • проводить измерение в нескольких точках или на нескольких трассах.

Важным преимуществом акустооптического монохроматора является немеханическая перестройка на фиксированные длины волн без промежуточных состояний. Это существенно уменьшает время измерений за счет накопления только информационно значимых данных и увеличивает достоверность и точность получаемых результатов.

Газоанализатор использует выносной оптический отражатель, который устанавливают на местности на нужном расстоянии и высоте относительно подвижной станции или стационарного поста и от которого отражается зондирующий луч, возвращающийся в газоанализатор.

Подвижные станции можно использовать для контроля содержания газовых компонентов в газоходах асфальтобетонных заводов, теплоэлектростанций, на автодорогах, мостах, в зоне действия промышленных предприятий, в том числе на металлургических комбинатах, на автодорожных предприятиях, станциях технического обслуживания автомобилей и на других территориях с загрязненным воздухом.

В последние годы получили распространение приборы для дистанционного исследования атмосферы. Их называют лидарами, т. е. оптическими локаторами для дистанционного зондирования воздушных и водных сред.

(рис. 10.2). Они представляют собой совокупность связанных между собой элементов: мощного лазера, оптического телескопа с фотоприемником, устройства управления и отображения информации, блока питания.

системы:

а — космический «Балкан»: б — самолетный и корабельный «Атмарил-3»; в — малогабаритный «Лоза-М».

Импульс направленного лазером излучения испытывает рассеяние на аэрозолях и молекулярных компонентах, а также вызывает их флуоресценцию. Излучение, возникшее в некотором ограниченном объеме, распространяется по всем направлениям и регистрируется приемной системой, расположенной рядом с лазером или отнесенной от него на некоторое расстояние. При совмещении выходного и приемного телескопов расстояние до объемов, в которых произошли рассеяние или флуоресценция, определяют по времени задержки между моментами излучения лазерного импульса и прихода его обратного сигнала.

Величину сигнала находят по уравнению лазерной локации.

где Pq (J) — мощность лазерного излучения на выходе лидара на частоте f{, P (f₂) — мощность отраженного импульса на частоте /₂; R — расстояние от лидара до изучаемого объема; К — коэффициент потерь в оптике; Y® — геометрическая функция лидара, равная доле светового потока в поле зрения приемной системы и зависящая от степени перекрывания прямого пучка и поля зрения приемной системы; Т_{ и Т₂ — функции пропускания атмосферы для прямого и отраженного импульсов; / — протяженность области, из которой принимается отраженный импульс за время его регистрации; А — площадь апертуры приемного телескопа; р® — объемный коэффициент обратного рассеяния или флуоресценции.

Лидары широко применяют для измерения параметров атмосферы: влажности, температуры, прозрачности, концентрации газовых и аэрозольных компонентов, скорости ветра, верхней и нижней границ облачности, а также для определения качества воды водоемов, поиска полезных ископаемых, предсказания землетрясений и т. д.

Лазерное зондирование атмосферы по сравнению с другими методами дистанционного зондирования (радиолокационное, акустическое) обеспечивает большую дальность зондирования (в атмосфере, например, до нескольких десятков километров), более высокое пространственное разрешение (до долей метра) и оперативность (время измерения — менее одной секунды).