Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды. Монография
.pdf
Различают следующие три режима зондирования:
– активный, при котором наблюдаемый объект облучается пере-
дающим устройством сенсора (лидара или радара), а отраженный
сигнал принимается бортовым приемником, т.е. передающее и приемное устройства находятся практически в одной точке – на борту
летательного аппарата;
– полуактивный, использующий в качестве «подсветки» объекта
излучение Солнца (на этом принципе работают фотокамеры, спектрометры, сканеры и др.). Здесь приемник и передатчик находятся в
разных точках пространства;
– пассивный, когда источником излучения, принимаемого борто-
вым сенсором (ИК- и СВЧ- радиометры), служит сам зондируемый
объект.
Являясь инструментом исследования сложных процессов (явлений), происходящих на планете, ее регионах и даже локальных участках, каковыми являются природные и природно-антропогенные
процессы, в методах ДЗ используются последние достижения фундаментальных наук и высокотехнологичных отраслей промышленности. Создаются основы новейших систем аэрокосмического мониторинга Земли, а также современные способы и методы зондирования
на базе экоинформатики и ГИС-технологий [15–18].
Обладая огромными возможностями в части обеспечения высокой
оперативности и обзорности земной поверхности, ДЗ вместе с тем
нуждается в информационной поддержке со стороны служб наземного экологического мониторинга, поскольку методы дистанционных
наблюдений являются косвенными. Последнее объясняется тем, что
информация о состоянии зондируемых природных объектов, интересующая конечного пользователя, извлекается из параметров электромагнитных волн, восходящих от этих объектов и регистрируемых
бортовыми сенсорами, поэтому для обеспечения корректности процедуры ДЗ требуются либо адекватные модели зондируемых объектов, либо многолетние ряды данных, получаемых в ходе измерений
на месте. Это означает, что методы и средства ДЗ должны использоваться совместно с методами и средствами наземного экологического
мониторинга.
Диапазоны волн, используемых в ДЗ. В настоящее время для целей
ДЗ чаще всего используются электромагнитные волны видимого,
161
инфракрасного (ИК), сверхвысокочастотного (СВЧ) или микроволнового и ультракоротковолнового (УКВ) диапазонов. Первые два из
них иногда объединяют в оптический диапазон (ОД), а два последних – в радиодиапазон (РД). В отдельных случаях находят применение и методы зондирования, использующие ультрафиолетовый (УФ)
диапазон волн, ограниченность возможностей которого связана с
сильным поглощением УФ-излучения атмосферой.
Более конкретно, в методах дистанционного зондировании ис-
пользуется интервал длин волн от 0,01 мкм до 10 м, а именно:
– ультрафиолетовый диапазон – 0,01…0,38 мкм;
– видимый и ближний ИК-диапазон – 0,38…2,5 мкм;
– средний и дальний ИК-диапазоны – 2,5…14 мкм;
– СВЧ-диапазон – 0,1см …70 см;
– УКВ-диапазон – 0,7 м ….10 м.
Такое деление спектрального интервала на диапазоны достаточно
условно и не связано непосредственно со способами зондирования.
Например, считается, что интенсивность солнечного излучения в диапазоне длин волн от 0,01 до 3,5 мкм превосходит интенсивность собственного излучения объектов земной поверхности. В связи с этим
поддиапазон до 3,5 мкм обычно используется при активном и полуактивном зондировании, в то время как длинноволновая область находит
применение в режимах активного и пассивного зондирования.
Под объектами зондирования понимаются как различные природные среды атмосфера, Мировой океан, почвенный и растительный
покров и т.п., называемые также рассевающими средами, так и разнообразные природно-антропогенные объекты (территории) – сельскохозяйственные угодья, дороги, дамбы, нефтепроводы и т.п.
Возможности дистанционных методов зондирования в решении
научных и прикладных задач экологии, изучении природных ресурсов Земли и нужд различных отраслей промышленности, энергетики
чрезвычайно широки [15, 16]. Они позволяют оперативно идентифицировать тип и особенности контролируемого объекта на аэрокосмическом изображении, определять его состояние, отслеживать динамику развития негативных природных процессов (явлений) и на основе этой многомерной информации обеспечить принятие управляющих решений. В соответствии с этим и перечень задач, решаемых с помощью средств дистанционного зондирования, является
весьма обширным (табл. 4.3).
162
Таблица 4.3
Перечень задач ДЗ и ожидаемые результаты
Объект
мониторинга
Мировой океан Обнаружение вихрей и течений, оценка распределения и
концентрации фитопланктона, неорганических взвесей,
наличие нефтяных пленок
Вулканы Контроль динамики выбросов газов, пепла и магмы
Мониторинг космического и околоземного
пространства
Диагностика магистральных трубопроводов
Мониторинг подземных
газохранилищ
Мониторинг нефтехранилищ
Диагностика шоссейных и железнодорожных магистралей
Мегаполисы Обнаружение текущих и залповых выбросов загрязне-
Снимки лимба Земли, космического «мусора», контроль
озонового слоя, томография верхних слоев атмосферы
Контроль состояния трасс, идентификация микротрещин
и свищей, динамики состояния грунтов
Определение зон и объемов утечек
Наполнение емкостей, деформация оболочек, утечка
нефтепродуктов (включая подпочвенные)
Выявление участков деформаций профиля, нарушений
полотна и покрытия, состояние рельсового пути и кон-
тактной электросети
ний, их источников
Решаемые задачи
Обратим внимание на две следующие чрезвычайно важные сферы
приложения методов ДЗ для решения экологических проблем глобального уровня.
Во-первых, возможность обнаружения пятен нефти на поверх-
ности Мирового океана и контроль их распространения по самолетным радиолокационным снимкам. Уместно здесь напомнить о недавней экологической катастрофе (2010 г.) в связи с взрывом на нефтедобывающей платформе компании BP в Мексиканском заливе и
выбросом огромного количества нефти. Нефтяные загрязнения морских и океанских акваторий представляют большую угрозу для флоры и фауны Мирового океана. Для снижения риска такой угрозы необходимо располагать оперативной информацией о местонахождении и динамике нефтяного пятна на море, что требуется для принятия необходимых мер по предотвращению возникновения таких ситуаций, например, при незаконном сбросе нефтепродуктов при очистке танков, а также для устранения разливов нефти. Кроме того,
изучение структуры морских волн с помощью метода многополяризационной съемки. Решение этой задачи имеет как научное, так и
прикладное значение. Слежение за морскими течениями, поверхно-
163
стными вихрями и зонами апвеллинга (подъема холодных вод из глубин океана) представляется весьма важным для морской гидродинамики и глобальной экологии. На практике плане оперативная оценка
степени волнения моря важна для обеспечения безопасности судоходства и рыболовства.
Во-вторых, возможность осуществления мониторинга вулканов и
вулканической деятельности. Слежение за различными фазами извержения вулканов, например, в ИК-диапазоне спектра с постоянным
контролем динамики выбросов газов, пепла и магмы. Уместно
вспомнить недавнее (14 апреля 2010 г.) мощное извержение вулкана
с очень непростым и плох
о произносимым названием Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajokull) в Исландии. Огромный шлейф вулканического пепла протянулся до северных берегов Европы. Примерно через
сутки облако пепла достигло пределов Московского региона. Извержение парализовало авиасообщение – было отменено более 5 тыс.
рейсов как в пределах самой Европы, так и во многих странах мира.
Дистанционные методы, основанные на использовании лазерного
излучения, позволяют контролировать газообразные загрязнения,
массовую концентрацию и функции распределения аэрозольных частиц в атмосфере, загрязнения водной среды, снежного покрова. Аппаратура контроля, как указывалось ранее, может быть установлена
на борту аэрокосмических систем (спутников, самолетов, вертолетов), в салоне автомобиля. Перспективы лазерно-спектроскопических методов дистанционного зондирования трудно переоценить,
учитывая, что уже в настоящее время эти методы используются в
системах глобального и регионального экологического мониторинга.
Достаточно много примеров их применения в качестве постов (станций) контроля в крупных городах и промышленных центрах для исследования динамики загрязнений, выбросов мощных стационарных
источников, автотранспорта.
Для ДЗ загрязнений атмосферного воздуха используются так называемые трассовые газоанализаторы. В основе их принципа действия лежит метод дифференциальной оптической абсорбционной
спектроскопии (ДОАС), основанный на измерении поглощения газами в ультрафиолетовой области спектра. Спектральный прибор, входящий в состав газоанализатора, позволяет фиксировать изменения в
спектральном распределении регистрируемого излучения, обусловленные поглощением излучения газовыми компонентами атмосфер
ы
при его прохождении по трассе между источником и приемником
164
Рис. 4.1. Схема системы дистанционного зондирования атмосферных
загрязнений на базе аппаратуры ДОАС фирмы OPSIS (Швеция):
1 – приемник; 2 – источник излучения; 3 – спектрометр; 4 – детектор;
5 – конвертер; 6 – компьютер; 7 – блок хранения данных; 8 – экран
излучения (рис. 4.1). Измеренные спектры поглощения дают возможность идентифицировать газы и получить информацию о количественном содержании.
Принцип работы данных приборов заключается в следующем. Излучение от источника света (ксеноновой лампы) направляется через контролируемую область атмосферы по выбранной трассе зондирования.
Установленный на противоположном конце трассы рефлектор отражает
часть излучения в обратном направлении, которое регистрируется системой спектрального детектирования. В процессе обработки спектр излучения, прошедшего трассу, сравнивается со спектром источника, в
результате чего выявляются изменения, обусловленные поглощение
м
излучения газовыми компонентами атмосферы. Возможными областями использования трассовых газоанализаторов являются:
– фоновый мониторинг атмосферного воздуха;
– контроль трансграничного переноса загрязнений в пределах ло-
кальных территорий;
– контроль общего загрязнения атмосферы и источников выбро-
сов в пределах городов и промышленных центров.
165
Рис. 4.2. Трассовый газоанализатор «ДОАС-М1»
Прибором отечественного производства является трассовый газоанализатор «ДОАС-М1» (рис. 4.2), разработанный фирмой «Обнинская Фотоника» (г. Обнинск, Калужская обл.) [19]. В табл. 4.4 приведены вещества, определяемые с помощью «ДОАС-М1» с указанием
пределов их обнаружения.
В настоящее время известны также зарубежные трассовые газоанализаторы на основе ДОАС – OPSIS (Швеция), DOAS – 2000
(США), SANOA (Франция). Уместно отметить, что приборы фирмы
OPSIS установлены в Москве и Санкт-Петербурге (в столице вдоль
третьего транспортного кольца, на площади Гагарина и вблизи пруда
Таблица 4.4
Перечень веществ, определяемых прибором «ДОАС-М1»
Химическая формула Вещество Предел обнаружения, мкг/м3
NO2 Диоксид азота 5,7
SO2 Диоксид серы 2,3
O3 Озон 3,0
CH2O Формальдегид 4,5
C6H6 Бензол 2,8
C7H8 Толуол 1,5
С6Н
О Фенол 0,8
6
С7Н
О Бензальдегид 2,4
6
СS2 Сероуглерод 30
СlO2 Диоксид хлора 0,09
166
Рис. 4.3. Оптическая схема лидара:
1 – лазер; 2 – выходное оптическое устройство; 3 – приемное
устройство; 4 – спектроанализатор; 5 – система детектирования;
6 – система сбора и обработки данных регистрации
Беккет). Эти системы позволяют определять оксиды углерода, серы и
азота, озон, фенол, стирол, формальдегид, бензол, толуол и другие
круглосуточно в автоматическом режиме.
Лидары (транслитерация от LIDAR – англ. light identification, de-
tection and ranging – оптическая идентификация, обнаружение и локация) – измерительные системы для зондирования различных слоев
атмосферы.
Большинство лидаров включает лазер, выходное оптическое устройство, спектроанализатор, фотоприемник и систему сбора и обработки данных (рис. 4.3).
Принцип работы заключается в следующем. Импульс лазерного
излучения, сформированный передающей оптикой, направляется на
мишень. Часть лазерного излучения используется для создания
опорного сигнала и контроля длины волны в тех случаях, когда это
необходимо. Опорный сигнал задает начало отсчета времени, а его
амплитуда – энергию лазерного импульса.
Излучение, рассеянное мишенью назад, собирается приемным телескопом и через спектроанализатор направляется на фотоприемник.
Спектроанализатор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся измерения, и отсечки фонового излучения на других
длинах волн. Он может быть выполнен в виде монохроматора, полихроматора или узкополосного интерференционного светофильтра.
Выбор фотоприемника определяется спектральной областью измерений, которая зависит от используемого лазера и метода зондирования.
167
В основе методов лазерного зондирования лежат следующие про-
цессы взаимодействия лазерного излучения с веществом:
– рэлеевское рассеяние и рассеяние Ми;
– комбинационное и резонансное рассеяние;
– поглощение и флуоресценция.
Применение средств дистанционного зондирования загрязнений
атмосферного воздуха является весьма перспективным, особенно в
условиях промышленно-урбанизированных территорий, где сосредоточено большое число источников выбросов.
4.5. Оценка возможности лидарной системы
детектирования
Рассмотрим возможности средств дистанционного зондирования
на базе лидарной системы для контроля состава выбросов промышленных предприятий.
На протяжении длительного времени в целом ряде решений Правительства Москвы указывалось на необходимость дальнейшего совершенствования аппаратурно-методического, математического и программного
обеспечения городской системы экологического мониторинга.
В плане программного обеспечения были предусмотрены:
– разработка интерполяционных моделей для условий городской
застройки, использования которых позволит рассчитывать поля концентраций загрязняющих веществ между стационарными постами;
– внедрение экстраполяционных моделирующих программных
комплексов в технологический цикл мониторинга для расчета распространения загрязнений от источника;
– внедрение геоинформационных систем в структуру экологического мониторинга.
В принятых решениях, в частности, предлагалось:
– развертывание современного информационно-вычислительного
центра;
– полная автоматизация существующих постов контроля атмосферного воздуха;
– внедрение современных дистанционных средств контроля качества атмосферного воздуха.
Последнее направление представляется весьма перспективным
благодаря неоспоримым преимуществам дистанционных методов в
случае контроля источников выбросов.
Далее приведены результаты исследований по оценке возможности лидарной системы на базе лазерного спектрометра, разработан-
168
ного в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН и МФТИ для
решения проблем дистанционного контроля загрязняющих веществ в
выбросах стационарных источников г. Москвы [20, 21]. Работы проводились под руководством профессора Б.И. Васильева, в них участвовали также автор книги и выпускница кафедры теплофизики и
экологии металлургического производства МИСиС Н.А. Прохорова.
Известно, что до недавнего времени для целей лазерного зондиро-
вания использовались мощные СО
-лазеры в диапазоне 9…11 мкм.
2
Вместе с тем спектры поглощения многих загрязнителей атмосферы
лежат в области спектра 11…18 мкм. Созданная на основе двух лазеров NH
–CO2, лидарная система обеспечила возможность измерений
3
в спектральном диапазоне 9…13,5 мкм и тем самым позволила расширить перечень контролируемых загрязнителей атмосферы [18].
Система использует метод дифференциального поглощения, предусматривающий измерение ослабления лазерного излучения на
двух длинах волн. Одна из них должна совпадать с линией поглощения контролируемой примеси (сигнальный луч – λ
линии поглощения (контрольный луч, λ
), что позволяет учесть
off
), а другая – вне
on
влияние рассеяния в атмосфере. Таким образом, измеряется разность
сигналов, которая дает информацию о концентрации контролируемой примеси. Следует отметить, что метод дифференциального поглощения позволяет при высокой чувствительности определения
концентрации загрязняющего вещества обеспечить минимальный
уровень погрешности измерения оптического сигнала.
В данном случае в качестве опорной линии (λ
ния (9R30) или (10R20) СО
любая другая линия СО
не 9…11 мкм) или любая линия NH
-лазера, а в качестве зондирующей (λon) –
2
-лазера (при работе в спектральном диапазо-
2
-лазера (при работе в спектраль-
3
) используется ли-
off
ном диапазоне 11…13,5 мкм).
Лазерное излучение определенного спектрального состава с помощью плоского зеркала наведения направляется на мишень (облако
загрязнений, выбрасываемое с газами из дымовой трубы). Рассеянное
назад излучение собирается приемной оптикой (в данном случае используется сферическое зеркало) и проходит через интерференционный фильтр. Затем пространственно разделенные пучки собираются
каждый своей фокусирующей системой на соответствующие фотоприемники. Они преобразуют световые сигналы в электрические
(аналоговые) и усиливают их.
Далее аналоговые сигналы с приемников преобразуются АЦП в
цифровой код, а затем передаются в память компьютера для дальнейшей обработки (определяется ослабление в атмосфере сигнально-
169
го и контрольного лучей, осуществляется сравнение полученных
sA
NBE
()
ln ,
2()()
⎡
⎢
⎢⎥⎣
сигналов со спектрами различных загрязнителей, имеющихся в базе
данных компьютера, что позволяет определить химический состав
загрязняющих атмосферу примесей и их концентрацию), хранения и
визуализации полученных данных.
В случае мобильного варианта двухчастотного NH
–СО2 лидара
3
компьютер системы управления для оперативной передачи полученной информации о составе и количественном содержании загрязнений в выбросах контролируемого объекта может связаться со стационарным центром обработки информации. В этом случае окажется
возможным более оперативно анализировать полученную информацию и принимать необходимые решения.
Предел обнаружения (чувствительность) лидарной системы – это
минимальная концентрация загрязняющего вещества, которая может
быть обнаружена с минимально реализуемым на практике уровнем
погрешности измерений оптических сигналов.
В методе дифференциального поглощения значение сигнала на
выходе приемной системы, по которому определяется концентрация,
зависит лишь от выбранного пространственного разрешения, т.е. от
разности расстояний до участков атмосферы, рассеивающих сигнал
обратно к измерительной системе (рис. 4.4).
Для оценки чувствительности лазерного спектрометра ФИАН
воспользуемся следующей формулой [18]:
⎡⎤
()
PR R
1
−
=−++
min
2()()
ln
⎢⎥
RPfRRPR
ΔσΔ + Δ Δσ
⎢⎥
⎣⎦
+Δ
on
of on
()
PR
off on off
mol mol
α−α
, (4.5)
где Δσ – коэффициент дифференциального поглощения иссле-
дуемого вещества;
∆R – пространственное разрешение;
, P
P
α
где β
– сигналы отраженной мощности на двух длинах волн;
on
off
, α
– коэффициенты ослабления (экстинкции) атмосферы на
on
off
двух длинах волн.
⎤
R
()
RR
B
1
=
ΔσΔ β + Δ β
, β
– коэффициенты обратного рассеяния атмосферы на двух
on
off
β+Δ
on
RRRR
off on
β
off
(4.6)
⎥
⎦
длинах волн.
170
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]