Технологии диагностирования

Научно-технический прогресс в последние десятилетия определяет необходимость пересмотра технологических основ диагностирования. Содержательная часть технологии определяется пространственно-временным режимом натурных наблюдений, результаты которых являются ключевыми для диагностирования, а выбор режима основывается на характерных масштабах измеряемых величин и их производных.

Временной режим натурных наблюдений можно разделить на три типа:

1) с временным интервалом 3 ч, совпадает с общепринятым режимом наблюдений в мировой практике. Он обеспечивает оперативное получение дополнительных экспериментальных данных к стандартным измерениям;

2) с периодичностью один раз в месяц, проводятся наблюдения ряда атмосферных компонентов и процессов. День определяется в соответствии с Международным геофизическим календарем при обязательном учете приоритетных регулярных мировых дней и регулярных мировых дней. В эти дни проводят ионосферные и геомагнитные наблюдения, а также наблюдения параметров атмо­сферного электричества и потоков УФ-излучения;

3) по самостоятельным программам (лидарные станции, самолеты-лаборатории, сложные комплексы коллективного пользования), режим работы зависит в основном от степени финансирования ввиду их относительной дороговизны.

Пространственный режим натурных наблюдений определяется для каждого региона с учетом географического масштаба и антропогенной нагрузки.

Учитывая трудоемкость натурных наблюдений, в последнее время все большее применение находят лабораторные техноло­гии, к которым относятся:

физическое моделирование как отдельных компонентов атмосферы, так и атмосферных процессов;

математическое моделирование, включая статистическое, на основе ранее накопленных материалов;

геоинформационные технологии.

Физическое моделирование, которое в общем случае является одним из наиболее эффективных и незаменимых экспериментальных методов исследований для земной атмосферы, во всем требуемом объеме для атмосферы осуществить невозможно. Так, для моделирования глобальной циркуляции необходимо геометрическое подобие земного шара с соответствующей воздушной оболочкой и центростремительным гравитационным полем, что в настоящее время технически не реализуемо. Однако, крайне необходима постановка экспериментов, связанных с взаимодействием оптического излучения с газами и аэрозолями.

Математическое моделирование является более эффективным методом, основанным на использовании результатов физических и численных экспериментов, например, высококачественные модели естественных и природных антропогенных воздействий на атмосферные процессы, обеспечивающие краткосрочные и долгосрочные прогнозы.

В последнее время в мировой практике компьютерного накопления, системного анализа и обобщения информационного материала распространение получили геоинформационные технологии (ГИС).

Геоинформационные технологии (ГИС) в методологическом отношении имеют принципиальную особенность заключающуюся в том, что при решении задач первостепенную роль играют параллельные ряды наблюдений в зонах с различной антропогенной нагрузкой. В связи с этим типовые ГИС необходимо соответствующим образом адаптировать к принятому международному формату.

В настоящее время наблюдаются некие противоречия между сравнительно новыми технологиями (физическое или математическое моделирование, ГИС) и отсутствием заметного прогресса в области технической инструментальной оснащенности.

Приоритетные задачи должны быть сформулированы с учетом развития имеющейся материально-технической базы в части как использования уникальных измерительных комплексов, так и реализации заделов по созданию и доведению до практического использования новых диагностических приборов и технологий.

Хорошо известно, что решение прикладных вопросов не может быть реализовано без проведения фундаментальных исследований, если рассматривать такое сложное природное образование, как земная атмосфера. Проведение таких исследований приносит успех только тогда, когда используется достаточно мощный арсенал уникальных измери­тельных средств, недооценка роли которых еще просматривается во многих национальных и даже международных проектах.

Перечень параметров, измеряемых в натурных условиях с помощью уникальных комплексов, на этапе исследований дополняется и развивается по пути создания новых приборов и методик измерений с более широкими по сравнению с имеющимися функциональными возможностями. Необходимость уточнения этого перечня диктуется также требованиями повышения оперативности, информационной емкости и автоматизации процессов измерений.

Инженерно-экологические вопросы охраны окружающей среды связаны с комплексной направленностью решения задач по изучению взаимодействия промышленного производства с окружающей средой. Одной из основных задач при этом является разработка и практи­ческое решение методов и технических средств экодиагностики в объеме проблемы загрязнения окружающей среды. Естественно, что неотъемлемым условием успеха следует считать осуществление с помощью современных средств и технологий экодиагностики и мониторинга с целью получения качественной и количественной информации о содержании во всех средах различных примесей.

Выделяют три категории постов наблюдений: стационарный, маршрутный и передвижной.

Стационарный пост предназначен для обеспечения регулярных наблюдений в одной точке из специального павильона, маршрутный - также для проведения регулярных наблюдений с помощью оборудованного для этих целей автомобиля, передвижной - для отбора проб воздуха под дымовым или газовым факелом промышленного предприятия.

Кроме наблюдений за содержанием в воздухе вредных веществ на всех постах проводятся измерения метеорологических параметров (направления и скорости ветра, температуры воздуха и др.), определяющих пере­нос и рассеяние веществ в атмосфере.

На стационарных и маршрутных постах наблюдения проводятся по одной из четырех программ: непрерывной, полной, неполной или сокращенной. Непрерывная программа осуществляется с помощью автоматических приборов. Наблюдения по полной программе выполняются дискретно в 1,7,13и 19 ч по местному декретному времени. По сокращенной программе наблюдения выполняются при температуре воздуха ниже -45 ⁰С и в местах, где концентрация примеси в 50 % случаев и чаще не превышает нижнего предела диапа­зона измерений применяемого метода.

Дальнейшее развитие сетей и совершен­ствование диагностических экологических технологий предполагает следующее:

дифференцированный подход к программе наблюдений на каждом посту;

широкое внедрение автоматизированных средств экодиагностики;

создание сети опорных постов;

переход от организации химических лабораторий в каждом городе к созданию крупных объединенных лабораторий, обслуживающих несколько населенных пунктов;

ограничение числа контролируемых веществ при наличии тесной связи между вредными веществами, выбрасываемыми одним источником. Содержание других веществ можно оценить по установленной предварительно корреляции между концентрациями веществ, содержащихся в выбросах.

Общим для автоматизированных систем экодиагностики, предназначенных для работы в городских условиях или масштабах отдельных регионов является их построение по централизованному принципу, т. е. сбор данных на периферийных станциях и датчиках и передача информации на центральный орган обработки и управления.

В состав автоматизированных систем контроля воздуха включают метеостанции или блоки измерения метеопараметров, набор которых может изменяться. Минимальный набор для диагностирования - скорость и направление ветра.

Максимальный включает измерение солнечной радиации, электропроводности воздуха, ИК- излучения, температуры, влажности и давления воздуха, интенсивности турбулентности, осадков.

При постоянном режиме выбросов вредных веществ колебания уровня загрязнения происходят под влиянием условия переноса и рассеяния примесей в атмосфере. Повышение концентраций примесей в конкретном районе зависит от определенных сочетаний метеорологических параметров. Чем точнее установлено это сочетание, тем с большей надежностью будут осуществляться предупреждения о возможном накоплении примесей в атмосфере. Сочетание метеорологических параметров, определяющих возможный при заданных выбросах уровень загрязнения атмосферы, называют потенциалом загрязнения атмосферы (ПЗА). Это характеристика противоположна рассеивающей способности атмосферы (РСА). Чем выше РСА, тем ниже ПЗА.

Различают метеорологический и климатический ПЗА. Метеорологический ПЗА включает сочетание наблюдаемых (или ожидаемых) метеорологических параметров в определенный период (ч, сут.) и используется при прогнозировании возможных изменений уровня загрязнения на короткие временные интервалы. Климатический ПЗА включает многолетние климатические характеристики. Поэтому он позволяет оценить ожидаемый в данном физико-географическом районе (при заданных выбросах) средний уровень загрязнения.

По физическим принципам действия, методам и способам организации работ приборы и устройства экодиагностики разделяют на контактные и дистанционные. Следует отметить, что в настоящее время для измерения ряда параметров (температуры, влажности, давления, уровня радиации, концентрации газов) разработано достаточно большое количество измерительных средств не только для целей решения задач эколого-метеорологического мониторинга, но и задач исследовательского, технического, бытового и специального назначения. Однако с учетом огромного количества факторов, действующих на измерительную аппаратуру в реальных условиях, а также требований соответствующих нормативно-технических документов, большинство хорошо зарекомендовавших себя в лабораторных условиях приборов можно считать непригодными для эксплуатации в реальных условиях.

Решение всех экологических проблем связано с развитием систем диагностирования, контроля и мониторинга на основе современных средств измерения большого числа диагностических параметров, анализа и мате­матического моделирования природных процессов и влияния на них деятельности человека.

При исследовании экологии атмосферы контролируют интенсивность солнечного излучения, выбросы вредных веществ (оксидов углерода, азота, углеводородов, серного ангидрида, аэрозолей и др.), атмосферное дав­ление, химический состав, диагностируют источники выбросов антропогенного происхождения, выпадение кислотных дождей и т.д.

При диагностировании экологических параметров и прогнозировании ресурсов материковой части Земли регистрируют колебания земной поверхности, картографируют состояние лесных массивов и посевов, движение песков, изучают химический состав и радиоактивность земной коры, параметры биосферы и техносферы, загрязненность почвы тяжелыми металлами и нефтепродуктами, электрические и магнитные поля, полезные ископаемые. Кроме непосредственных дистанционных измерений осуществляют отбор и подготовку проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.

В качестве диагностических параметров водной среды в экодиагностике используют температуру, химический состав, излучательную и отражательную способность, прозрачность, соленость, кислотность, наличие нефтяных и других загрязнений, микробиогенных и зоогенных факторов, концентрацию ионов и другие.

Для многих направлений экологического диагностирования повышение точности и производительности измерений параметров загрязнений остается наиболее актуальным.

Комплексные экологические исследования позволят оценивать выделение загрязняющих веществ, их распространение и поглощение во всех сферах: в атмосфере, водной среде и почве. На первом этапе следует выявить состав параметров диагностирования, провести ранжировку их влияния на решение жизненно важных экологических проблем, определить взаимосвязь параметров с целью уточнения диагностических признаков и состава данных, необходимых для прогнозирования негативных изменений окружающей среды, а также ключевые параметры и характеристики мониторинга и документооборота.

Важнейшим общим направлением развития экодиагностики является интелектулизация и автоматизация методов, средств и технологий. Широкая номенклатура используемых средств требует оптимизации их применения для решения конкретных задач, как с точки зрения научно-технического уровня, так и соответствующих экономических затрат. Чем сложнее задача экодиагностики, тем в более комплексном виде она будет решаться с применением различных по физической сути диагностических методов, алгоритмов, средств мониторинга и компью­терных технологий.

Часть 3. РАДИАЦИОННЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

3. 1. Физические основы

…………………………………………

Радиационный контроль за объектами природной среды (почвы, атмосферного воздуха и поверхностных вод) ведется путем измерения мощности дозы гамма – излучения, отбора проб и измерением суммарной бета – активности атмосферных выпадений и воды в основных водоемах, измерением концентрации радиоактивных аэрозолей в приземном слое атмосферы. Этот контроль носит регулярный характер и позволяет решать задачи раннего предупреждения в случае ядерных аварий. Измерения, проводимые при данном типе контроля, относятся к мониторинговым типам измерений и проводятся на постоянных постах и метеостанциях. Осуществляется радиационный контроль почв сельскохозяйственных угодий, продуктов растениеводства, кормов, удобрений, стоительных материалов, участков застройки, готовых зданий и сооружений, продуктов питания, воды, товаров народного потребления и т. д.

Радиационный контроль объектов ведется по соответствующим методикам: радиационного контроля объектов (МРК); выполнения измерений величин определенными методами и средствами измерений (МВИ); пробоотбора (МП); подготовки счетных образцов (МС).

В последнее время благодаря развитию новых технологий и появлению новых мощных микропроцессоров произошла почти полная смена приборного парка радиационного контроля. В новых экономических условиях выпускаются приборы, ориентированные на решение конкретных прикладных задач.

Средства измерения ионизирующего излучения.

Дозиметр – прибор для измерения ионизирующих излучений – предназначен для получения измерительной информации об экспозиционной дозе и мощности ее фотонного излучения и (или) об энергии, переносимой ионизирующим излучением или переданной объекту, находящемуся в поле действия излучения. Наиболее популярный дозиметр ДРГ – 01Т1.

Радиометр – прибор для измерения ионизирующих излучений, предназначенный для получения измерительной информации о потоке ионизирующих частиц, испускаемых с поверхности, загрязненной радиактивными веществами, и (или) о поверхностной активности радионуклида. Типичным представителем является переносной радиометр ДРБП – 03, который позволяет измерять мощность эквивалентной дозы гамма – излучения в диапазоне энергий от 50 кэВ до 3 МэВ.

Спектрометр – прибор для измерения ионизирующих излучений, предназначенный для получения информации о распределении ионизирующего излучения по одному и более параметрам, характеризующим источники и поля ионизирующих излучений. Они в свою очередь делятся на альфа -, бэта – и гамма – спектрометры. Необходимо отметить, что практически все спектрометры работают только в сочетании с ЭВМ, которая является их неотъемлемой частью. Поэтому обычно говорят о спектрометрических программно – аппаратных комплексах.

3. 2. Диагностика радиоактивного загрязнения атмосферы.

Радиоактивное загрязнение атмосферы происходит непосредственно после того или иного события, связанного с выходом искусственных радионуклидов в окружающую среду.

Радиоактивное загрязнение атмосферы исследуется двумя основными способами: способом отбора и анализа проб выпадений из атмосферы на марлевые планшеты и способом анализа фильтров, устанавливаемых в воздухофильтрующих устройствах (называемых обычно воздуходувками).

Коллекторы радиоактивных выпадений из атмосферы (марлевые планшеты) экспонируются на местности в течение определенного времени. Собранная проба подвергается радиометрическому и радионуклидному анализу.

Фильтровентиляционные установки (ФВУ) по своей чувствительности значительно превосходят марлевые планшеты и с их помощью производится эффективное улавливание аэрозолей для возможности достоверного определения полного радионуклидного состава проб аэрозолей. Наиболее широко используются отечественные фильтрующие установки серии «Тайфун».

В России для определения радионуклидного состава атмосферного аэрозоля спроектирован и создан мобильный судовой комплекс. Он служит для регистрации:

глобальных уровней радиоактивного загрязнения атмосферы продуктами ядерных испытаний;

радионуклидов естественного происхождения, которая в значительной мере облегчается при отсутствии или низком уровне продуктов атомных взрывов.

Кроме того, разработан комплекс аппаратуры для мониторинга радона и торона. Радиометр радона «Рамон – О1» имеет мощное встроенное воздухозаборное устройство и полупроводниковый альфа – детектор большой мощности, что обеспечивает высокую оперативность измерений или хорошую чувствительность. Радиометры РРА - 01М – 01 и РРА – 01М – 03 предназначены для экспрессного измерения объемной активности радона в воздухе, воде и подпочвенном воздухе, а также плотности потока радона из почвы (с приставкой ПОУ любой модификации).

3. 3. Диагностика радиоактивного загрязнения воды.

Загрязнение объектов гидросферы происходит путем непосредственного слива радиоактивных отходов в водоем, путем загрязнения поверхности водоема выпадениями радиоактивности из загрязненной атмосферы, путем смыва почвенных частиц с загрязненной местности. Диагностика проводится методом отбора и концентрирования проб, которые одинаковы как для пресных, так и для морских вод.

Отбор воды через гибкий шланг не представляет трудности до глубины примерно 300 м; на больших глубинах сказывается гидравлическое сопротивление шланга. С глубин более 300 м пробы воды отбирают специальными устройствами – батометрами. Затем отбираемая вода по шлангу подается на фильтровальную установку «Мидия», абсорбер и расходомер. Фильтровальная установка «Мидия» предназначена для отделения взвешенного вещества из проб большого объема и позволяет производить фильтрацию со средней скоростью 500 л/ч. Адсорбер служит для извлечения растворенной части радиоактивной примеси на волокнистых сорбентах. Для извлечения радиоцезия, присутствующего в воде в растворенной форме, применяются сорбенты на основе волокнистого катионита ЦМ – К1, пропитанного ферроцианидом меди. В качестве сорбента для извлечения радионуклидов, присутствующих в пресной воде в форме анионов, используется анионообменное волокно ЦМ – А2.

3. 4. Диагностика радиоактивного загрязнения территорий.

Формирование поля радиоактивного загрязнения территорий является процессом многофакторным: его структура зависит, с одной стороны, от характера выпадений и свойств выпадающих частиц, а с другой, - от характера подстилающей поверхности в месте выпадения.

Радиоактивные выпадения условно подразделяют:

1) ближние, или локальные (километры – десятки километров от источников, размер частиц >50 мкм);

2) дальние (первые сотни километров от источников, размер частиц 10 – 50 мкм);

3) полуглобальные (тропосферные, выпадения могут длиться до одной – двух недель, след может прослеживаться на тысячи километров от источников, размеры частиц оценивается единицами мкм);

4) глобальные (стратосферные, длящиеся многие недели, месяцы и даже годы, распределяющиеся по всей поверхности Земного шара, размер частиц оценивается долями мкм).

При изучении радионуклидного загрязнения неизбежно сталкиваются со всеми четырьмя типами выпадений и их суперпозицией во многих случаях.

По результатам предварительного анализа топографических карт исследуемого региона, после дозиметрических измерений, визуальных ландшафтных наблюдений выбираются представительные для данной местности участки для отбора проб.

Для получения репрезентативных результатов, характеризующих достаточно обширную территорию, места пробоотбора располагаются на задернованном участке междуречья, где процессы смыва и эрозии не проявляются, не ближе 20 м от дорог, больших деревьев, строений и других препятствий.

При отборе проб в населенных пунктах выбираются участки, в которых отсутствует влияние сливов с крыш, из канализации, без нарушений почвенного покрова при земляных работах и строительстве.

Для характеристики любых элементарных ландшафтов необходимо перед проведением пробоотбора выделить их границы.

Каждая проба составляется (для увеличения площади опробования) из пяти отдельных проб, располагающихся «конвертом».

Для пробоотбора используются пробоотборники в виде стальной трубы диаметром 60 – 65 мм и снабженные глубинной шкалой. Для отбора послойных проб с толщиной слоя 5 см используют пробоотборники большего диаметра – 95 – 100 мм. Другой способ послойного пробоотбора заключается в окапывании почвенного куба и срезании почвенных слоев с фиксированной площади.

Измерения радиоактивности почвенных образцов на содержание гамма – излучающих радионуклидов выполняется с использованием лабораторных методов гамма – спектрометрии с полупроводниковыми и сцинтилляционными детекторами, а измерения на содержание Sr⁹⁰ и трансурановых радионуклидов – методами радиохимии альфа – и бета – спектрометрии.

Установка гамма – спектрометров в последние годы на самолеты или вертолеты позволяет достичь высокой производительности и оперативности. Такие лаборатории воздушного базирования оборудуются бортовым компьютером для оперативной обработки спектров, формирования базы данных, высотометром для коррекции степени поглощения излучений почвы в слое воздуха под самолетом. Мощность дозы может непосредственно измеряться в полете и затем приводиться к уровню Земли или рассчитываться по измеренным значениям запаса и известному показателю вертикального распределения антропогенных радионуклидов и концентраций естественных радионуклидов. Оба способа имеют свои преимущества и недостатки.

Метод полевой гамма – спектрометрии позволяет при исследованиях локальных мест загрязнения получить оперативно без проботбора и последующего лабораторного анализа большое число измерений с возможностью расшифровки гамма – спектра в полевых условиях при помощи портативного компьютера «Note book». Метод полевой радиометрической съемки основан на измерениях, выполняемых с помощью радиометра фотонного излучения с коллимированным спектрально – чувствительным сцинтилляционным детектором (РКСД).

Вертикальную миграцию радионуклидов изучают путем отбора послойных проб почв с последующим гамма – спектральным и/или радиохимическим анализом в лабораторных условиях. В процессе изучения радиационной обстановки проводится картографирование исследованных территорий. Создание карт радиационного загрязнения территорий имеют следующие цели:

1) научно систематизировать материал о радиоактивном загрязнении местности;

2) в обобщенном и детальном виде в результате разномасштабного картографирования показать территории, загрязненные в различной мере;

3) создать карты достоверные и удобные для применения различными пользователями.

При построении карт радиоактивного загрязнения местности

разработаны системы автоматизированного построения последних и создано специальное программное обеспечение (комплекс программ анализа исходной информации и комплекс программ построения изолиний).

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.

4. 2. Мониторинг земного покрова.

Дистанционный мониторинг нацелен на оценку биологической продуктивности, на моделирование биогеохимических циклов с учетом роли растительности и на управление растительными ресурсами (особенно леса).

Современные спутниковые и самолетные системы дистанционного мониторинга типа JERS - 1 (Япония) и NOAA/AVHRR (США) позволяют решать такие задачи:

1) оперативной оценки степени пожарной опасности леса;

2) картирования контуров лесных пожаров через слои дыма и полог древостоя;

3) картирования обводненности лесных территорий при тушении крупных лесных пожаров;

4) определения энергетических параметров пожара;

5) определения послепожарного состояния лесов.

Применение радиоволнового экодиагностирования и методов пространственной интерполяции в задаче мониторинга сельскохозяйственных полей с целью картирования влажности почвы осуществлялось с помощью двух радиометров с диапазонами длин волн 18 и 27 см, размещаемых на борту самолета Ан – 2 или вертолета МИ – 2.

4. 3. Мониторинг водных систем.

Формирование радиотеплового поля излучения океана в СВЧ – диапазоне зависит от температуры и солености воды, взволнованности поверхности, концентрации хлорофилла и других компонентов океанской среды. Поэтому организация системы дистанционного радиоволнового мониторинга, основанного на регистрации собственного излучения океана в СВЧ – диапазоне сводится к решению ряда сложных математических задач.

Знание зависимостей радиационных характеристик водной поверхности от всего спектра ее параметров – необходимая основа радиоволновой экодиагностики поверхности океана.

4. 4. Мониторинг атмосферы.

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что радиоволновые методы исследования атмосферы проигрывают оптическим на коротких трассах и становятся незаменимыми при контроле обширных территорий.

Выбор диапазона волн для зондирования атмосферы определяется как характером конкретной задачи, так и пространственными масштабами. Диагностика содержания водяного пара и водности облаков, состава атмосферных газов и аэрозолей по их собственному излучению в СВЧ – диапазоне базируется на спектральных измерениях. Наибольшая роль радиоволновых методов проявляется именно в мониторинге осадков и облаков.

Часть 5. ОПТИЧЕСКИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ.

5. 1. Оптический контроль атмосферы.

5. 1.1. Физические основы и классификация оптических методов диагностики.

Взаимодействие оптического излучения с различными атмосферными компонентами в настоящее время описываются соотношениями теоретического или эмпирического характера, что обеспечивает оптическим методам широкие перспективы для контроля и мониторинга земной атмосферы.

Молекулярное поглощение оптического излучения атмосферными газами относится к основным физическим процессам преобразования лучистой энергии в другие виды.

Молекулярное рассеяние оптического излучения является результатом его взаимодействия с оптическими неоднородностями в молекулярной среде.

Аэрозольное рассеяние является основным физическим процессом в земной атмосфере по изменению пространственного распределения и поляризации оптического излучения при его взаимодействии с атмосферным аэрозолем.

Рассеяние турбулентными неоднородностями в земной атмосфере вызывается неоднородностями диэлектрической проницаемости, которые принято описывать структурной функцией.

Тепловое излучение атмосферы и земной поверхности описывается известным законом Кирхгофа, согласно которому при наличии термодинамического равновесия отношение коэффициента излучения к коэффициенту поглощения равно интенсивности излучения абсолютно черного тела и является, следовательно, универсальной функцией длины волны и температуры.

Классификация оптических методов. Предлагаемая классификация этих методов является в значительной мере условной и может быть полезной скорее для пользователей, чем для разработчиков новых приборов.

1). Спектрометрические методы основаны на фотометрии удаленных естественных или искусственных источников оптического излучения. Измеряемой физической величиной является прозрачность атмосферы, которая определяется как отношение ослабленного оптического сигнала I к неослабленному I₀ .

2). Методы солнечной и звездной спектрофотометрии основаны на фотометрии ослабленного атмосферой излучения от Солнца и звезд.

3). Методы лазерной спектрофотометрии используют фотометрию ослабленного атмосферой лазерного излучения.

4). Методы фурье – спектроскопии выделены в отдельную группу по специфическим способам монохроматизации и обработки регистрируемых сигналов для широкополосных источников оптического излучения с помощью фурье – спектрометров.

5). Методы спектральной прозрачности атмосферы выделены также в отдельную группу по специфическим методикам обработки результатов измерений и оптическим схемам трассовых измерений в широком спектральном интервале.

6). Радиометрические методы основаны на фотометрии потоков оптического излучения от природных источников, включая тепловое и рассеянное атмосферное излучение. В специальной литературе эти методы часто называются методами пассивного зондирования окружающей среды.

7). Методы УФ – радиометрии выделены в отдельную группу в связи с особым экологическим значением потоков излучения в этом спектральном интервале.

8). Методы ИК – радиометрии связаны с измерениями преимущественно потоков теплового излучения атмосферы и подстилающей поверхности.

9). Актинометрические методы сосредоточены на решении задач, связанных с абсолютными значениями потоков оптического излучения и энергетического баланса этих потоков.

10) Методы поляризационной радиометрии отличаются от других радиометрических методов возможностью измерения поляризационных характеристик регистрируемого оптического излучения. Такие измерения проводятся преимущественно для потоков солнечного излучения, отраженного подстилающей поверхностью различного типа.

11) Нефелометрические методы основаны на измерениях, связанных с особенностями угловой зависимости рассеяния падающего излучения отдельными частицами (аэрозолями и молекулами).

12) Ореольная фотометрия основана на использовании асимметрии формы индикатрисы рассеяния, связанной с увеличением значений индикатрисы для углов передней полусферы.

13) Одноугловая нефелометрия использует однозначную связь между абсолютным значением показателя рассеяния под определенным углом и показателем рассеяния элементарного объема.

14) Индикаторисометры (многоугловая нефелометрия) реализует способ измерения индикатрисы, связанной с фотометрированием постоянного и неподвижного в пространстве рассеивающего объема.

15) Стокс – поляриметрия дает возможность получить полное представление о поляризационных свойствах света.

16) Аэрозольные счетчики используют метод измерения светорассеивающих свойств отдельных аэрозольных частиц.

17) Лидарные методы исследования атмосфкры относятся к активным дистанционным методам. Они основаны на явлениях рассеивания и поглощения лазерного излучения атмосферными компонентами и реазизуются путем посылки лазерного импульса в атмосферу и приеме обратнорассеянного излучения после его взаимодействия с атмосферой.

18) Метод рэлеевского молекулярного рассеяния использует анализ интенсивности лазерного излучения, упруго рассеянного на молекулах и атомах на исходной частоте.

19) Методы Ми (аэрозольного) – рассеяния основаны на интерпретации сигналов, упруго рассеянных на аэрозольных частицах, взвешенных в атмосфере.

20) Поляризационные лидарные методы, в которых кроме интенсивности обратнорассеянного сигнала измеряются его поляризационные характеристики. Используются для изучения формы частиц (фазовый состав), однородности частиц по объему и роли многократного рассеяния в формировании лидарных сигналов от ансамбля частиц.

21) Методы комбинационного рассеяния применяют излучение, рассеянное на молекулах атмосферы за счет эффекта Рамана (комбинационное рассеяние).

22) Методы резонансного рассеяния используют длины волн, совпадающие с частотой определенного перехода в атоме. При этом падающее на атомы лазерное излучение рассеивается с большим сечением и наблюдается на исходной частоте. Наиболее эффективно этот метод работает при исследовании натриевых слоев в верхней атмосфере.

23) Методы лазерной флюоресценции используют явление поглощения лазерного излучения на частоте определенного перехода в атоме или молекуле с последующим переизлучением на более низкой частоте. Метод широко используется для исследования загрязнений на водной поверхности.

24) Дифференциальное поглощение и рассеяние являются в настоящее время одними из наиболее отработанных методов дистанционного газоанализа. Использование двух длин волн в зондирующем излучении, одна из которых близка к частоте молекулярного перехода исследуемого газа, а вторая находится вне полосы поглощения, позволяет достигнуть высокой чувствительности при значительном пространственном разрешении.

5. 1. 2. Лидарные методы.

Лидары (от анг. Light Detection and Ranging) – лазерные системы дистанционного зондирования. Принципиальная схема типичного лидара представлена на рис. 5. 1.

Риc. 5. 1. - Принципиальная схема лидара:

1 - лазер; 2- блок контроля выходного излучения; 3- передающая оптическая система; 4 - приемная оптическая система; 5 - спектроанализатор; 6 -приемник излучения; 7 - усилительно-преобразующий электрический тракт; 8 - процессор; 9 - выходное устройство.

Излучение лазера 1 формируется передающей оптической системой, которая коллимирует выходной пучок, минимизируя его расходимость. В состав передающей оптической системы 3 могут входить оптические фильтры, отсекающие побочное излучение, которое может возникать в некоторых типах лазеров. Часть лазерного излучения отводится полупрозрачным зеркалом на блок 2 контроля выходного излучения, связанного с усилительно – преобразующим электрическим трактом и процессором. Блок контроля выходного излучения задает начало отсчета времени и используется для калибровки интенсивности импульса, необходимой для проведения количественной интерпретации данных.

Отраженное от объекта исследования излучение собирается приемной оптической системой 4 и поступает в спектроанализатор 5, предназначенный для выделения рабочего спектрального диапазона, в котором производятся измерения. Одновременно спектроанализатор подавляет фоновое излучение (помехи): осуществляет спектральную фильтрацию сигнала. Сигнал с выхода приемника излучения 6 усиливается, фильтруется и обрабатывается в цифровой или аналоговой форме.

Лидарные методы измерений массовой концентрации аэрозоля.

Дистанционное определение массовой концентрации аэрозоля основано на использовании явлений рассеяния лазерного излучения.

Аэрозольные лидары – лидары, в которых принимаемый сигнал обусловлен в основном рассеянием лазерного излучения на атмосферных аэрозолях. Функциональная схема аэрозольного лидара показана на рис. 5. 2.

Рисунок 5.3. - Функциональная схема лидара:

1 - лазерный передатчик; 2 - передающая антенна (оптический коллиматор); 3 - детектор зондирующего излучения- 4-светоделительное устройство; 5- приемный объектив; 6 - пространственный фильтр (диаграмма); 7- поляризационный фильтр; 8 - спектральный фильтр; 9 - фотодетектор; 10 - усилитель; 11 - регистратор электрического сигнала; 12 – компьютер.

Лазерный передатчик 1 генерирует короткий оптический импульс длительностью 5 – 15 нс (в зависимости от типа используемого лазера) через передающую антенну 2.. Часть лазерного излучения отводится на детектор 3 и используется для измерения энергии зондирующего импульса и синхронизации работы других устройств лидара. Часть потока излучения, рассеянного из изучаемого объема среды, с помощью светоделительного устройства 4 поступает на приемную антенну 5. При этом для повышения отношения сигнал/шум, особенно при работе в дневное время, в приемной системе устанавливается пространственный фильтр 6 (например, диафрагма), который уменьшает поле зрения, приближая его к расходимости лазерного передатчика. При решении задач по определению структуры аэрозоля и его фазового состава используется дополнительная информация о состоянии поляризации рассеянного излучения. Для этой цели в приемной системе предусматривается поляризационный фильтр 7. Спектральный фильтр 8, устанавливаемый перед фотодетектором 9, выделяет диапазон спектра, в котором регистрируется рассеянное излучение, и служит для повышения отношения сигнал/шум. В качестве детекторов оптического излучения используются высокочувствительные фотоэлектронные умножители либо лавинные фотодиоды. Продетектированный электрический сигнал при необходимости усиливается в широкополосном электронном усилителе 10, а затем оцифровывается в аналого – цифровом преобразователе 11 (АЦП). Информация с АЦП и с детектора зондирующего излучения поступает в компьютер 12, где по заданным алгоритмам определяется искомые атмосферные параметры, в частности профили массовой концентрации аэрозолей.

Одна из последних модификаций такого лидара ЛОЗА имеет управляемый от компьютера электромеханический привод, обеспечивающий установку заданного направления зондирования.

К достоинствам лидарных методов следует отнести: дистанционность, оперативность, высокое пространственное и временное разрешение при достаточно высокой чувствительности, возможность создания карт аэрозольных полей в радиусе нескольких километров от лидара.

Лидарные методы измерения фазового состава аэрозоля.

Наибольшее распространение в исследовательской практике получили одно – двухчастотные поляризационные лидары, отличающиеся относительной простотой. Поляризационные лидары в отличие от аэрозольных лидаров позволяют выделить в принимаемом потоке излучения компоненты с различными состояниями поляризации, что дает дополнительную информацию о свойствах рассеивающей среды.

Определение высотных профилей температуры атмосферы.

В практике лидарных измерений важнейшего метеорологического параметра атмосферы – температуры по вертикальным профилям используются три основных известных метода:

молекулярного (или рэлеевского) рассеяния;

спонтанного комбинационного (рамановского) рассеяния;

резонансного (дифференциального) поглощения.

Разработан метеорологический лидар МЕЛ – 01, предназначенный для дистанционного зондирования практически всех основных метеопараметров атмосферы, включая профили температуры с использованием метода дифференциального поглощения.

Определение скорости ветра лидарными методами.

Лазерное зондирование скорости ветра использует перемещение увлекаемых им естественных рассеивателей оптической энергии (аэрозолей, молекул и т. д.). В настоящее время параллельно развиваются два метода лазерного зондирования скорости ветра – доплеровский и корреляционный.

5. 1. 3. Нефелометрические и трассовые методы диагностик аэрозолей.

Нефелометрическая диагностика аэрозолей. Она основана на методе спектральной прозрачности (МСП), который использует ослабление интенсивности проходящего света через исследуемый объем среды. На практике для технической реализации МСП используются измерения либо прозрачности, либо коэффициента рассеяния. Во втором случае применяются специальные приборы – нефелометры, которые регистрируют свет, рассеянный некоторым исследуемым объемом среды.

Трассовые методы измерений. Основные принципы трассовых методов измерений прозрачности атмосферы, дальности видимости, коэффициентов ослабления излучения и аэрозольной концентрации основаны на измерении мощности потока оптического излучения, прошедшего через эту трассу. Различают два вида схем построения трассовых измерителей коэффициентов ослабления:

1) с излучателем и приемником, разнесенными на определенное расстояние L;

2) с выносным отражателем.

Наибольшее распространение получили трассовые измерители с выносным отражателем, так как в этом случае вся оптико – электронная часть прибора располагается в одном месте и делается в виде единого блока.

5. 1. 4. Оптические счетчики аэрозолей.

Все они основаны на измерении светорассеивающих свойств отдельных аэрозольных частиц. Посредством установленных связей производится переход к основным характеристикам аэрозолей (концентрации, функции распределения по размерам, средним размерам и т. д.). Приборы, использующие этот принцип, называются фотоэлектрическими спектрометрами аэрозолей или фотоэлектрическими счетчиками (ФЭС). В целом серийно выпускаемые и особенно лабораторные образцы счетчиков, которые выпускаются в России, США и Германии, могут использоваться для решения конкретных задач, например, для оценки степени запыленности воздуха, измерения спектра размеров частиц известного химического состава и простых форм и др.

5. 1. 5. Методы диагностики газообразных соединений.

Носителем информации о качественном и количественном составе загрязняющих атмосферу веществ при дистанционном мониторинге являются спектры электромагнитного излучения, поступающего из объема атмосферы, находящегося под наблюдением. По отсутствию или наличию пространственного разрешения оптические методы контроля газообразных загрязнений подразделяют на интегральные и дифференциальные.

Интегральными (трассовыми) методами измеряется общее содержание загрязняющей примеси на всей трассе взаимодействующего со средой излучения.

В дифференциальных дистанционных методах пространственное разрешение достигается либо методическим путем за счет варьирования условий измерения интегрального содержания примеси, либо инструментальными средствами за счет использования импульсного источника излучения.

В мировой практике хорошо известны: корреляционные масс – спектрометры «COS – PEC», газофильтровый радиометр «GASPEC», разработанные фирмой Barringer Research, Ltd (Канада), приборы типа «Tecneco» (Италия), недесперсионные корреляционные радиометры модели RAMS фирмы Ecorol (Франция), Российские корреляционные радиометры ФГТ 03 – 2, ДКГ и др.

5. 2. Диагностирование поверхности Земли.

5. 2. 1. Задачи и диагностическая модель.

Основные области применения дистанционного зондирования – геологическое обследование, обследование городского землепользования, возможности сохранности урожая, оценки его величины, последствий наводнений, землетрясения, извержения вулканов, лесных и подземных пожаров. Очевидно, что разные объекты живой природы требуют различных сведений о природных условий, что вызывает необходимость строить различные диагностические модели. Естественно выделяются три основные группы экологических условий: растительного мира, животных, жизни человека (последняя тесно сопряжена с социальными условиями).

5. 2.2. Аппаратура.

Используемые в дистанционном зондировании приборы можно подразделить на две группы:

1) спектральных данных, дающие детальную спектральную информацию об объекте;

2) формирующие изображение, дающие информацию относительно пространственной структуры и обычно некоторую спектральную информацию.

Первая группа приборов получает данные путем спектрального сканирования. В дистанционном зондировании системы спектральных данных обычно используют при полевых исследованиях.

Фотогафические системы. Фотографические средства являются родоначальниками систем дистанционного зондирования и характеризуются очень высоким пространственным разрешением. Фотографическая система – кадровая система: все данные об изображении получаются одновременно. Фотографирование дает наиболее детальную информацию о пространственной структуре земной поверхности. Фотосъемка с пилотируемых орбитальных станций достигли разрешения 10 м.

Телевизионные системы. Они дают видимое изображение зондируемой поверхности. Их разновидностью являются тепловизионные системы, дающие видимый аналог теплового изображения. Телевизионные съемки наиболее перспективны для наблюдения быстро меняющихся природных явлений.

Оптико – электронные спектрометры. Ими называют приборы предназначенные для измерения спектрального распределения яркости протяженных излучателей.

Активная локация. Активные съемки (лидарные, лазерные, спектрометрические и др.) осуществляются в основном с самолетов, так как космические съемки требуют больших энергетических затрат. Тем не менее их применение в будущем является перспективным ввиду их высокого пространственного разрешения, независимости от состояния атмосферы, спектральной избирательности и др.

5.3. Диагностирование водной среды.

5. 3. 1. Задачи и физическая модель.

С проблемой защиты акваторий от поступления в них загрязнений тесно связана проблема их обнаружения и картирования. При дистанционном зондировании загрязнений вод должны решаться следующие задачи:

обнаружение загрязнений;

картирование загрязнений – установление границ загрязненного участка;

определение толщины пленки загрязнений;

определение возраста пленки;

идентификация – определение сорта пролитого нефтепродукта или других

загрязнений.

1. Дистанционные методы обнаружения загрязнений можно подразделить на пассивные и активные. При применении пассивных методов регистрируется излучение водной поверхности или отраженное этой поверхностью солнечное излучение. При применении активных методов на зондируемую водную поверхность от искусственного источника подается излучение определенного спектрального состава и регистрируется отраженное, рассеянное или флюоресцентное излучение, либо изменение характера поляризации отраженного излучения. Наиболее перспективными методами оптической диагностики загрязнений поверхности водных бассейнов являются активные флюоресцентный и рефлектометрический методы.

Часть 6. ТЕПЛОВАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА.

6. 1. Задачи тепловой диагностики.

Тепловая экологическая диагностика (ТЭД) основана на регистрации аномалий температурного поля объектов экосистем, обусловленных отклонениями от стандартных условий их существования в естественных условиях.

Основными задачами тепловой диагностики являются:

- набор и обобщение данных о температурных режимах объектов экосистем, характерных для их существования в норме;

- выявление причин отклонений температурных режимов экосистем от стандартных, определение степени их опасности и возможности прогнозирования по этим отклонениям неблагоприятных сценариев развития экосистем.

Характерными объектами теплового контроля являются электрические подстанции, линии электропередач, теплотрассы, дымовые трубы, корпуса турбин и реакторов, склады сыпучих материалов и т. д.

Тепловая экодиагностика дает возможность выявления и прогнозирования отдельных видов техногенных изменений гидрологичеких и инженерно – геологических условий больших городов; имеет научно – методические основы дистанционной тепловой съемки и интерпретации ее данных для целей мониторинга геологической среды.

6. 2. Физические основы и элементная база тепловой диагностики.

Различают пассивный и активный тепловой неразрушающий контроль (ТНК). При пассивном ТНК анализ тепловых полей изделий производят в процессе их естественного функционирования. Активный ТНК предполагает нагрев объекта внешним источником энергии. В основе аналитического решения задач активного теплового контроля лежит уравнение теплопроводности.

Физические основы теплового излучения. Бесконтактные методы теплового контроля основаны на использовании ИК – излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. ИК – излучение занимает широкий диапазон длин волн от 0,76 до 1000 мкм. Для характеристики теплового излучения удобно использовать понятие абсолютно черного тела (АЧТ). Законы излучения АЧТ могут применяться с известной поправкой для большинства реальных тел.

Физические основы измерения температуры. В качестве опорных точек приняты температура Т замерзания (0⁰ С) и кипения (100⁰ С) воды. Если начало отсчета установлено от абсолютного нуля температур, то получим абсолютную термодинамическую шкалу, единицей которой служит градус К. Значения температур по этим шкалам соотносятся Т = t + 273,15 K. Формирование теплового поля температурно контрастных объектов в первую очередь определяется основным источником нагрева. По этому признаку можно выделить объекты с внешним источником и с внутренним. Внешним источником теплоты является Солнце.

6. 3. Средства контроля температуры.

Термометры. Эти приборы можно разделить на жидкостные, манометрические термометры, термопары, термометры сопротивления и термоиндикаторы.

Безконтактные методы термометрии. Действие пирометров излучения основано на фотоэлектрической, визуальной и фотографической регистрации интенсивности теплового излучения нагретых тел, пропорционального их температуре. Пирометры обычно имеют объектив для фокусировки излучения на фотодетектор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала.

Яркостными пирометрами измеряют спектральную яркость объекта на определенной длине волны, которая сравнивается с яркостью АЧТ.

Цветовыми пирометрами измеряют интенсивность излучения объекта в двух узких зонах спектра, отношение которых сравнивается с соответствующим отношением для АЧТ. Показания цветовых пирометров не зависят от коэффициента излучения объекта.

Радиационные пирометры, работающие в широком спектральном диапазоне используют для измерения температуры слабонагретых тел. При этом применяют объективы из материалов, прозрачных в соответствующей спектральной области.

Для определения распределения температуры по поверхности объекта вдоль заданной линии развертки применяют радиационные пирометры с оптико – механической системой линейного сканирования – термопрофили. Схема типичного термопрофиля представлена на рис. 6. 1.

Рис. 6.1. Схема и устройство оптического узла сканирующего радиометра:

1- окно; 2 - ИК-объектив; 3 - окуляр; 4 -объектив визира; 5 - призма; 6 - АЧТ; 7 – фотоприемник.

Прибор состоит из блоков сканирования и регистрации. Блок сканирования представляет собой объектив, расположенный на вращающемся роторе. Объектив 2 предназначен для работы в ИК – области спектра и изготовлен из линзовых компонентов (германиевых и кремниевых). С помощью зеркала 5 поток инфракрасных лучей последовательно направляется на фотоприемник (детектор) 7. В схеме прибора предусмотрен эталонный температурный источник 6, уровень излучения которого поддерживается с высокой точностью. Таким образом, на детектор последовательно попадает ИК – излучение от объекта и опорного излучателя, относительная интенсивность которых сравнивается с помощью электронной схемы. После усиления сигналы детектора 7, пропорциональные ИК – излучению объекта и эталонного излучения, подаются на кинескоп блока индикатора и воспроизводятся в виде яркой линии.

Тепловизионная аппаратура. Это тепловизоры, имеющие преобразователи с оптико – механическим сканированием (ПОМС) для анализа собственного теплового излучения объектов.

Структурная схема тепловизора с оптико – механическим сканированием, представленная на рис. 6. 1., включает приемную оптическую систему 1, детектор ИК – лучей 2, сканирующую систему 3, обеспечивающую последовательный просмотр объекта по заданному закону, усилитель 4, систему развертки и синхронизации 5 и ЭЛТ 6.

Рис. 6.2. Структурная схема тепловизора:

1 - оптическая система; 2 - приемник излучения; 3- сканирующее устройство;

4 - усилитель; 5 - система развертки и синхронизации; 6 - электронно-лучевая трубка.

Разработаны тепловизионные приборы, использующие пироконы. Достоинством тепловизионных приборов с пироконом является возможность создания компактных малогабаритных приборов.

Перспективные методы термометрической аппаратуры для экологической диагностики. Методы лазерной термометрии. Эти методы основаны на использовании в качестве термометрического свойства изменение характеристик оптического излучения (амплитуды, частоты, фазы, поляризации) после его взаимодействия с объектом контроля.

Акустические термометры. Метод акустической термометрии основан на зависимости скорости звука в атмосфере от температуры.

6. 4. Технология проведения тепловой диагностики.

Применение тепловой экодиагностики строится на сочетании следующих основных принципов: многократности и регулярности получения информации, узкой направленности ее, оперативности и связи с потребителями информации.

При этом учитывается время наблюдений, частота наблюдений, дешифрование результатов измерений или съемок.

6. 5.Применение тепловой экодиагностики.

Аэрокосмическая съемка. Она осуществляется в видимом и ближнем ИК – диапазонах длин волн с помощью фотографических, телевизионных и оптико – электронных сканирующих систем. При аэрокосмосъемках регистрируются различные количественные характеристики поля электромагнитного излучения, солнечной радиации, отраженной от поверхности Земли, и собственного теплового излучения системы земная поверхность – атмосфера.

Выявление утечки из подземных теплопроводов возможно практически единственным методом дистанционной тепловой диагностики.

6.5. 1. Тепловая диагностика атмосферы.

В настоящее время возможности наблюдения за выбросами загрязнений в атмосферу весьма ограничены. Теоретически возможно выделение в тепловом поле радиационно – температурно – контрастных выбросов. Однако практически при выполнении тепловой аэросъемки слабоконтрастные загрязнения атмосферы всегда теряются на фоне теплового поля земной поверхности. Поэтому объектами наблюдения могут быть только высокотемпературные выбросы занрязнений, непрозрачных в рабочих спектральных диапазонах. Такими объектами являются, в первую очередь, выбросы из дымовых труб ТЭЦ, котельных, промышленных предприятий, жилых зданий.

6. 5. 2. Тепловая диагностика гидросферы.

Особую актуальность разработка новых методов исследования температурного поля водной поверхности приобретает в связи с поисками полезных ископаемых и геологическим картированием обширных шельфовых зон. В этом случае тепловая аэросъемка является практически единственным быстрым и эффективным методом регистрации и исследования гидродинамических процессов на шельфе, определяющих существенные особенности его геолого – геоморфологичекого строения.

Несомненно важна тепловая аэросъемка для обнаружения и изучения очагов подводного вулканизма и излияния ювенильных вод из мантии, при изучении загрязнений водной среды в случае наличия в них тепловых составляющих и т. д.

Часть 7. ХИМИКО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ

МОНИТОРИНГ.