4.9. Дистанционный контроль состава и состояния биосферы

Необходимость дистанционного контроля состава и состояния окружающей среды вызвана с одной стороны – труднодоступностью отдельных участков биосферы, а с другой – перспективностью и относительно малыми финансовыми затратами глобального экологического мониторинга по сравнению с контактными методами анализа обширных территорий.

Дистанционные методы измерения состава компонентов биосферы и метеорологических параметров и подразделяются на несколько групп [11].

1. Аэрологическое зондирование дает информацию о вертикальном распределении химических компонентов атмосферы и о метеорологических параметрах. При этом датчики и приборы анализа состояния атмосферы устанавливаются на метеорологических и телевизионных мачтах, светофорных площадках дымовых труб и прочих высотных объектах. Измерения проводятся также с помощью передающих информацию о результатах измерения по радиоканалу радиозондов, подвешенных к свободному шару-пилоту. Возможно использование и других носителей радиозондов, например, аэростатов, самолетов, вертолетов и ракет.

2. Метеорологическое радиозондирование основано на физических принципах распространения в атмосфере электромагнитного излучения сантиметрового и миллиметрового диапазона. Доплеровские погодные радары позволяют обнаруживать зоны осадков и грозовых облаков, определять полный вектор и составляющие средней скорости ветра.

3. Акустическое зондирование осуществляется с помощью содаров. Принцип действия содара основан на рассеянии звуковых волн на неоднородностях показателя преломления атмосферы. Дальность действия содара не превышает 2 км. Им определяются температура воздуха и скорость ветра.

4. Радиоакустическое зондирование использует радиолокацию излучаемого вверх звукового импульса, при этом определяются вертикальное распределение температуры воздуха и скорость ветра.

5. Лазерное зондирование использует лидары.

6. Космическое зондирование использует информацию об изменении проходящего, рассеянного или отраженного от подстилающей поверхности электромагнитного импульса. Космическое зондирование осуществляется со спутников в инфракрасном, радио- или видимом диапазонах. Метод позволяет определить метеорологические параметры, концентрацию газов и аэрозолей, альбедо подстилающей поверхности.

Рассмотрим более подробно лазерное зондирование атмосферы с помощью лидаров [12]. Лидарное оборудование может размещаться на спутнике, самолете, наземной лаборатории (вертикальное зондирование), либо на пароходе, наземной лаборатории (горизонтальное зондирование). Лидары, размещенные на мобильных носителях, наиболее пригодны для оперативного мониторинга атмосферы, гидросферы, земной поверхности и космоса.

Рассмотрим физические основы работы поляризационного лидара, установленного на самолете.

Самолетный поляризационный лидар “Светозар” (разработка Института оптики атмосферы СО РАН и Института мониторинга СО РАН) оснащен рубиновым лазером, излучающим на длине волны λ = 694 нм или лазером на алюмоиттриевом гранате с λ = 532 нм. Приемником обратно рассеянного излучения служат три телескопа Кеплера. Имеется система сканирования зондирующего излучения, позволяющая сканировать по азимуту на +180^о и по месту на +90, -45 и -90^о. Фотодетектор ФЭУ-84-3 позволяет преобразовать оптический сигнал в электрический. Измеренные параметры обратно рассеянного лазерного излучения позволяют вычислить 4 параметра Стокса. По этим параметрам вычисляют концентрации аэрозолей и газов в атмосфере. Система сканирования зондирующего сигнала и система обработки результатов реализована на персональной ЭВМ IBM PC [12].

Самолетный поляризационный лидар “Макрель” предназначен для получения информации об облачности, свойствах подстилающей поверхности (литосферы и гидросферы). Определение альбедо подстилающей поверхности позволяет обнаружить морских животных в поверхностном слое воды, например, стада котиков или косяки рыбы, а также установить местонахождение и размер нефтяных пятен в океане, размер и местонахождение зон повышенной биологической продукции планктона. Такая информация важна для рыболовства и научных экологических исследований. Определение альбедо земной поверхности позволяет установить наиболее биологически продуктивные растительные зоны, размер районов пожаров, зоны разлития нефти [12].

Лидарное оборудование “Макрель” устанавливается на борту самолета, зондирование производится в вертикальном направлении через люк в днище. Следует заметить, что зондирование водной подстилающей поверхности возможно при наличии тумана толщиной до 100 м и при волнении не выше 5 баллов.

Вышеописанные лидарные самолетные установки нашли применение для метеорологических целей, научных исследований, на специальных самолетах- рыборазведчиках.

Что касается научных исследований, в настоящее время реализуется программа регионального климато- экологического мониторинга Сибири и станции сетевого мониторинга имеются в следующих городах:

▫ станция высотного зондирования с несколькими каналами лазерного зондирования (Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск);

▫ солнечный радиотелескоп (Институт солнечно-земной физики СО РАН, г.Иркутск);

▫ станции радиозондирования ионосферы (Томск, Новосибирск, Иркутск, Якутск);

▫ базовый экспериментальный комплекс (Томск);

▫ самолет-лаборатория “Оптик” на базе самолета АН-30 (Институт оптики атмосферы СО РАН, г.Томск);

▫ пункты приема космической климато- экологической информации (Новосибирск, Иркутск, Красноярск, Томск, Барнаул).

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите классификацию методов анализа состава веществ.

2. Опишите механизм возникновения явления поглощения излучения газами в инфракрасном диапазоне длин волн.

3. Каким образом выделяется требуемый диапазон зондирующего излучения при анализе состава газовой смеси методами:

▫ инфракрасной спектроскопии;

▫ спектроскопии ультрафиолетового диапазона излучений?

4. Содержание каких компонентов газовой смеси можно определить методами:

▫ инфракрасной спектроскопии;

▫ спектроскопии ультрафиолетового диапазона излучений;

▫ масс- спектроскопии;

▫ атомно-эмиссионной спектроскопии;

▫ атомно-абсорбционной спектроскопии;

▫ люминесцентного анализа;

▫ термокондуктометричекого анализа;

▫ термомагнитного анализа;

▫ хроматографического анализа?

5. Опишите принцип действия оптико-акустического газоанализатора.

6. Перечислите виды тепловых методов анализа состава газовых смесей.

7. Опишите принцип действия, достоинства и недостатки:

▫ электрохимических газоанализаторов;

▫ газоанализаторов с полупроводниковыми датчиками.

8. Опишите суть метода газовой хроматографии.

9. Опишите метод масс- спектроскопии.

10. Перечислите основные виды методов химического анализа состава газовых смесей.

11. Перечислите методы электрохимического анализа состава жидкостей.

12. Из каких компонентов состоит электрохимическая ячейка, предназначенная для анализа состава жидкостей?

13. Опишите суть используемых для анализа состава жидкостей методов:

▫ потенциометрический;

▫ вольтамперометрических;

▫ кондуктометрических;

▫ кулонометрических;

▫ электрогравиметрических.

14. Опишите устройство электродов для измерения концентрации иона водорода в водном растворе.

15. Виды и принцип действия аппаратуры для жидкостной хроматографии.

16. Перечислите методы анализа состава почв.

17. Опишите суть метода радиохимического анализа.

18. Перечислите методы дистанционного анализа состояния биосферы.