6.8. Дистанционные методы анализа

6.8.1. Спектрометрические методы изучения загрязнения атмосферы

В основе большой группы дистанционных методов определения состава и концентрации веществ при исследовании загрязнения окружающей среды лежит измерение различных параметров электромагнитного излучения. Используется чрезвычайно широкий диапазон волн – от сантиметрового (радиодиапазон) до 10^-11 см (гамма лучи), включая область видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. По физическим принципам здесь можно выделить два основных способа: измерение излучения (собственного или вынужденного) исследуемых атомов и молекул и измерение ослабления от естественных и искусственных источников при прохождении через вещество. При этом линии спектра являются признаком атомов и молекул, по ним производится идентификация состава вещества. Интенсивность линий служит мерой и количества и концентрации вещества.

Если присутствуют неизвестные вещества, то необходимы измерения, как спектрального состава, так и интенсивности. Во многих случаях состав определяемых веществ бывает известен и поэтому оказывается достаточным определить только их концентрацию. В этом случае можно ограничиться измерением интенсивности только отдельных, заранее известных линий или участков спектра, что позволяет значительно упростить аппаратуру. Максимальное расстояние, на котором можно вести дистанционные измерения, зависит кроме технических ограничений от проникающей способности излучения. В атмосфере это расстояние не превышает сотен метров для гамма-излучения (10^-11 см ) и может составлять десятки и сотни километров в оптическом диапазоне (0,1 см – 10^-6 см).

Спектрометрические методы позволяют реализовать оперативные дистанционные анализы атмосферы на содержание в ней сразу нескольких компонентов, концентрации которых могут сильно различаться, что открывает широкие перспективы использования этих методов для изучения загрязнения окружающей среды.

Наиболее удобен для использования инфракрасный диапазон 2-20 мкм в тех участках, которые соответствуют окнам прозрачности атмосферы, содержащим колебательно-вращательные полосы практически всех газообразных загрязнений. Для регистрации диоксида азота весьма удобен интервал 0,4-0,5 мкм, поскольку NО₂ является фактически единственным загрязнителем, имеющим спектр в видимом диапазоне, в котором СО₂ и пары воды поглощают очень слабо.

6.8.2. Исследование атмосферных аэрозолей методом лазерного зондирования

Основными задачами являются дистанционное исследование аэрозольных слоёв, изучение пространственно-временной динамики этих образований и определение таких микрофизических параметров аэрозолей, как концентрация частиц и спектр их размеров. Указанные параметры устанавливаются по данным измеренных при зондировании мощностей отраженных лазерных сигналов.

Было проведено лазерное зондирование атмосферы индустриального центра. Зондирование осуществлялось одночастотным лазером на рубине. В качестве детектора использовали фотоэлектронный умножитель. Исследования показали наличие очень высокой доли частиц мелкой фракции (r<0,36 мкм) и наличие частиц (r 2 мкм). Аэрозоли содержат оксиды железа, алюминия, никеля, меди, марганца и магния. При лазерном зондировании часто отмечается наличие слоёв с повышенной концентрацией аэрозолей на высотах 1200-1700 м.

Метод лазерного зондирования использовался для исследования атмосферы карьера, где часто возникают высокие уровни загрязнения атмосферного воздуха. Установлено, что при хорошем проветривании замутненность убывает с высотой. А при наличии слоя подоблачной инверсии вблизи его образуется слой повышенной замутненности.

Проведено зондирование нижней тропосферы (до 4 км) одночастотным лазером. Установлено, что распределение аэрозоля по вертикали носит трехслойный характер. Первый слой (до 200-300 м), примерно соответствующий слою атмосферы, характеризуется повышенным содержанием аэрозолей.

Лазерное зондирование стратосферы показало, что в интервале высот 15-23 км находится наиболее мощный аэрозольный слой.