Лк 4. Методы и средства дистанционного экологического мониторинга

При осуществлении экологического мониторинга роль интегральных признаков, хара­ктеристик экологических систем, осредненных в больших масштабах (в пространстве и во времени), становится исключительной. Важное место при организации контроля должно отводиться дистанционным методам, способным непосредственно представлять данные по крупномасштабным изменениям.

В настоящее время в мире развиваются в основном три типа систем дистанционного экологического мониторинга:

• на базе стационарных комплексных станций слежения (принята в настоящее время на Западе и является, с нашей точки зрения, особенно в условиях остаточного финансирования, крайне затратной, поскольку требует густой сети дорогостоящих датчиков, системы передачи информации и единого мощного обрабатывающего центра);

• сетью комплексных передвижных наземных лабораторий (используется в России и странах СНГ и по сути позволяет осуществлять лишь выборочный контроль как по составу загрязнителей, так и по охватываемой территории);

• дистанционный, выполняемый на основе комплексных аэросъемок (дает возможность за короткое время получать информацию для значительных территорий, однако не позволяет выявлять аварийные ситуации);

Таким образом, с учетом конкретных экономических условий наиболее эффективной представляется комбинация первой и третьей форм экологического мониторинга, когда непрерывные наблюдения системой стационарных станций, размещенных по достаточно редкой сети, сопровождаются регулярными (лучше всего - сезонными) комплексными съемками. Аэросъемки не имеют альтернативы по производительности и минимизации затрат на единицу площади при широком спектре регистрируемых параметров.

Системы дистанционного контроля среды обитания

Оптические системы, применяемые для контроля загрязнений природной среды, раз­деляют на пассивные, регистрирующие прямопрошедшее (рассеянное) солнечное или тепло­вое излучение исследуемого объекта, и активные, использующие искусственную подсветку.

1. Пассивные методы дистанционного контроля

1.1. Основные положения пассивных методов дистанционного контроля

Дистанционный контроль окружающей среды представляет собой совокупность мето­дов и средств измерения параметров физического состояния атмосферы, земной поверхно­сти, морей и внутренних водоемов с помощью приборов, расположенных на некотором рас­стоянии от объекта исследования. Дистанционные исследования проводятся с различных измерительных платформ - искусственных спутников Земли (ИСЗ), летательных аппаратов, су­дов, а также с поверхности Земли.

Использование в качестве носителя измерительной аппаратуры ИСЗ обеспечивает осуществление глобальных наблюдений, в том числе и над труднодоступными регионами Земли.

Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие задачи контроля со­стояния окружающей среды:

• определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности;

• контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;

• определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация за­грязнений почвы и водной поверхности;

• обнаружение крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий;

• контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;

• обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах;

• выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах;

• регистрация дымных шлейфов от труб;

• мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;

• обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;

• контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышлен­ных предприятий.

Для проведения дистанционных наблюдений применяют устройства, регистрирую­щие излучение системы "Земля-атмосфера" в диапазоне длин волн от 0,3 мкм до 1 м. Этот широкий участок спектра принято подразделять на ряд диапазонов: 0,25...0,4 мкм - УФ; 0,4...0,7 мкм - видимый; 0,7...2,5 мкм - ближний ИК; 2,5...25 мкм - средний ИК; 25... 500 мкм - дальний ИК; 500 мкм. ..1м - миллиметровый и микроволновый диапазоны. Последний диапазон используют в пассивных сверхвысокочастотных (СВЧ) системах дистанционного контроля, остальные - в пассивных оптико-электронных системах.

С помощью ИСЗ можно реализовать три метода пассивного дистанционного контро­ля, основанные на измерениях:

1. отраженного земной поверхностью или морем и рассеянного системой "Земля-ат­мосфера" солнечного излучения;

2. собственного теплового излучения системы "Земля-атмосфера";

3. прозрачности атмосферы по естественным источникам излучения (Солнца, Луны, звезд).

Возможности пассивного дистанционного контроля системы "Земля- атмосфера" во многом зависят от используемого диапазона длин волн.

АТМОСФЕРА

Физической основой спутникового мониторинга малых газовых компонент (МГК) атмосферы является наличие у них спектрально локализованных полос поглощения, имеющих различную физическую природу. В ультрафиолетовой и видимой об­ластях спектра расположен ряд электронных полос поглощения, а в ИК-областях спектра на­ходятся многочисленные колебательно-вращательные и вращательные полосы поглощения. Значительная зависимость показателя поглощения спектральных линий газов от давления (с уменьшением давления уменьшается ширина линий, обусловленная столкновением молекул) способствует разделению вкладов поглощения различных МГК для верхней атмосферы.

Использование длин волн оптического диапазона в системах пассивного дистанци­онного контроля дает возможность изучать не только газовый, но и аэрозольный состав ат­мосферы.

Возможность получения информации о свойствах подстилающей поверхности (мор­ской поверхности или материковых покровов) прямо зависит от глубины проникновения электромагнитной волны в среду.

ГИДРОСФЕРА

Только волны видимого диапазона способны глубоко проникать внутрь водной толщи и после рассеяния на имеющихся в ней оптических неоднородностях частично выходить обратно в атмосферу, принося информацию о гидрооптическом состоя­нии исследуемого водного бассейна. В радиодиапазоне излучение проникает под поверх­ность океана фактически только на глубину "скин-слоя", составляющего малые доли длины волны.

Тепловое состояние поверхности и приповерхностного слоя моря характеризуется прежде всего температурой. В ИК-диапазоне собственное излучение моря как нагретого тела формируется в тонком приповерхностном слое воды толщиной в доли миллиметра. Поэтому восстановленная из данных ИК-измерений температура является температурой поверхности моря.

МАТЕРИКОВЫЙ ПОКРОВ

Что касается материковых покровов, то в оптическом диапазоне индикатором их физического состояния являются только отражательные и излучательные свойства их поверхностей. Для изучения глубинных свойств почв, горных пород, ле­дяного и снежного покровов необходимо переходить в СВЧ-диапазон, где, например, для волн сантиметрового диапазона глубина проникновения составляет от долей метра до десят­ков метров.

Для получения конечных результатов дистанционного контроля необходимо не толь­ко провести радиационные измерения на ИСЗ, но и выполнить переход от радиационных из­мерений к интересующим нас физическим величинам. Такая процедура "обращения" данных измерений требует решения обратных задач атмосферной оптики. Математической основой для решения обратных задач атмосферной оптики является уравнение переноса в среде с поглощением, излучением и рассеянием.