- •Глобальные методы наблюдения и экологическое прогНоЗирование: учебное пособие
- •«Глобальные методы наблюдения и экологическое прогнозирование»
- •020801 (013100) «Экология» и 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере»
- •Введение.
- •Часть 1. Глобальные проблемы человечества в 21 веке.
- •1.1. Глобальные демографические проблемы населения нашей планеты.
- •1. 1.1. Динамика численности населения Земли.
- •1. 1. 2. Демографический взрыв хх века
- •1. 1. 3. Изобилие или голод
- •Проблемы экологии и безопасности ближнего космоса.
- •1.2.1. Техногенный мусор – происхождение и классификация.
- •1. 2. 2. Плотность загрязнения ближнего космоса и вероятность столкновения космических объектов с техногенным мусором.
- •1. 2. 3. Повреждения и разрушения космических аппаратов.
- •1. 2. 4. Перспективы решения проблемы засорения ближнего космоса в настоящее время.
- •Проблемы изменения климата Земли.
- •1. 3. 1. Парниковый эффект.
- •1. 3. 2. Киотский протокол.
- •1.4. Проблемы истощения озонового слоя.
- •1. 4. 1. Роль озонового слоя.
- •1. 4. 2. Естественные процессы образования и разрушения озона в стратосфере.
- •1. 4. 3. Техногенные изменения озонового слоя.
- •1. 4. 4. Открытие озоновых дыр в стратосфере.
- •1. 4. 5. Механизм возникновения озоновых дыр в стратосфере.
- •1. 4. 6. Международная защита озонового слоя Земли.
- •1. 4. 7. Озоновый щит над Россией.
- •Часть 2. Объекты экологии и задачи экодиагностики
- •2. 1. Терминология.
- •2. 2. Основные термины и определения.
- •2. 3. Дополнительные специальные термины для экодиагностики.
- •2. 4. Задачи экодиагностики.
- •2. 4. 1. Стандарты и нормативные документы.
- •1. К охране атмосферы относятся:
- •2. 5. Основные задачи.
- •2. 6. Технологии диагностирования.
- •Часть 3. Радиационный экологический мониторинг
- •3. 1. Физические основы
- •3. 2. Диагностика радиоактивного загрязнения атмосферы.
- •3. 3. Диагностика радиоактивного загрязнения воды.
- •3. 4. Диагностика радиоактивного загрязнения территорий.
- •Часть 4. Радиоволновой экологический мониторинг.
- •4. 1. Радиоволновые методы экодиагностики.
- •4. 2. Мониторинг земного покрова.
- •4. 3. Мониторинг водных систем.
- •4. 4. Мониторинг атмосферы.
- •Часть 5. Оптический экологический мониторинг.
- •5. 1. Оптический контроль атмосферы.
- •5. 1.1. Физические основы и классификация оптических методов диагностики.
- •5. 1. 2. Лидарные методы.
- •5. 1. 3. Нефелометрические и трассовые методы диагностик аэрозолей.
- •5. 1. 4. Оптические счетчики аэрозолей.
- •5. 1. 5. Методы диагностики газообразных соединений.
- •5. 2. Диагностирование поверхности Земли.
- •5. 2. 1. Задачи и диагностическая модель.
- •5. 2.2. Аппаратура.
- •Диагностирование водной среды.
- •5. 3. 1. Задачи и физическая модель.
- •Часть 6. Тепловая экологическая диагностика.
- •6. 1. Задачи тепловой диагностики.
- •6. 2. Физические основы и элементная база тепловой диагностики.
- •6. 3. Средства контроля температуры.
- •6. 4. Технология проведения тепловой диагностики.
- •6. 5. Применение тепловой экодиагностики.
- •6.5. 1. Тепловая диагностика атмосферы.
- •6. 5. 2. Тепловая диагностика гидросферы.
- •Часть 7. Химико-аналитический экологический мониторинг.
- •7. 1. Влияние химических продуктов на окружающую среду.
- •7. 2. Химико – аналитическая экологическая диагностика (хаэд).
- •7. 3. Универсальные комплексы хаэд.
- •Часть 8. Экологическое прогнозирование.
- •8. 1. Экологическое моделирование.
- •Экологическое моделирование глобального типа.
Часть 4. Радиоволновой экологический мониторинг.
4. 1. Радиоволновые методы экодиагностики.
Дистанционное СВЧ – радиоволновое зондирование земного покрова, атмосферы и акваторий Мирового океана основано на регистрации собственного или отраженного электромагнитного излучения.
Волны электромагнитного излучения, используемые для дистанционного зондирования в системах мониторинга окружающей среды, занимают широкий участок спектра от 0,3 мкм до 1,3 м с разбиением на диапазоны ближний ультрафиолетовый (УФ, 0,3 – 0,4 мкм), видимый (0,4 – 0,76 мкм), ближний инфракрасный (ИК, 0,76 – 1,5 мкм), средний и дальний (ИК, 1,5 мкм – 1 мм), сверхвысокочастотный (СВЧ, 1 мм – 1,3 м). СВЧ – диапазон радиоволновой экодиагностики принято делить на три основных поддиапазона: миллиметровый (1 – 10 мм), сантиметровый (1 – 10 см) и дециметровый (10 – 130 см).
Радиоволновые методы экодиагностики условно подразделяют на активные и пассивные. Под активными методами понимают те, которые изучают характер отражения, рассеяния и поглощения волн, излучаемых источником с известной спектральной плотностью. Активные методы широко применяют средства радиолокации. При этом объектами изучения являются мощность отраженного и рассеянного излучения, его спектральный состав и поляризационные свойства, фаза и время распространения.
Под пассивными методами понимают те, которые используют анализ собственного излучения природных образований. Характер собственного излучения определяется как температурой вещества, так и его физическими свойствами. Поэтому пассивные методы применяют как для измерения температуры, так и для определения различных параметров среды.
Основная специфика радиоволновой экодиагностики связана с большой радиопрозрачностью атмосферы. В этом одно из ее преимуществ по сравнению с оптическими и ИК – методами.
Технология активного зондирования радиоволн базируется на методах радиолокации, а пассивного – на регистрации собственного излучения. В обоих случаях теоретические задачи радиоволнового мониторинга связаны с излучением условий распространения электромагнитных волн в окружающей среде и, безусловно, в атмосфере и ближней ионосфере.
Основной недостаток радиоволновых методов дистанционного зондирования состоит в сравнительно низкой пространственной разрешающей способности по сравнению с оптическим диапазоном. В радиодиапазоне высокое пространственное разрешение достигается за счет применения многоканальности и специализированных методов обработки данных, что требует дополнительных экономических затрат.
Подавляющее большинство методов дистанционного зондирования окружающей среды основано на решении обратных задач. Как правило, эти задачи связаны с решением интегральных уравнений Фредгольма первого класса. Конкретный выбор алгоритма обращения этих уравнений определяется множеством условий и обстоятельств информационного обеспечения системы мониторинга.
Технической основой радиоволновой диагностики являются радиотехнические приборы пассивного и активного классов. Приборы активного зондирования (радиолокаторы) измеряют амплитуду отраженного или рассеянного сигнала, его частоту, время прихода, фазу и поляризацию. Разрешающая способность на местности определяется параметрами антенны и зависит от угла визирования. Примером эффективного исследования земных покровов является применение радиолокатора бокового обзора на самолете – лаборатории ИЛ – 18.
Пассивные радиоволновые методы экодиагностики основаны на измерении энергетических и поляризационных характеристик радиотеплового излучения природных образований. Высокая чувствительность СВЧ – радиометров обусловила их широкое применение в спутниковых системах мониторинга. Так, например, СВЧ – радиометрический модуль «Природа» орбитальной стации «Мир» обеспечивал решение практически того же круга прикладных задач, который решался бортовой системой самолета - лаборатории ИЛ – 18.
Спектр радиоволновых средств наблюдения за элементами окружающей среды достаточно широк и многообразен. Среди них важное место занимают средства наблюдения из космоса, такие как сканирующие радиометры типа ESMR (Nimbus – 5,6), микроволновый сканер NEMS (Nimbus -5,E), многоканальные сканирующие микроволновые радиометры SMMR и AMSR (Nimbus -7, Seaset, POP) и др.
С точки зрения комплексной задачи диагностики окружающей среды важен синтез системы, объединяющий такие функции, как сбор данных с помощью дистанционных и контактных методов, их анализ и накопление с последующей тематической обработкой. Это возможно при объединении радиоволновых методов экодиагностики, технологии методов экспертных систем и имитационного моделирования. На современном этапе это обеспечивает геоинформационная система (ГИС), которая обеспечивает обработку географических данных, связь с базами данных и символическое представление топологии изучаемых территорий.