Способ определения концентрации аэрозолей в атмосфере мегаполисов
Владельцы патента RU 2468396:
федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет леса (ГОУ ВПО МГУЛ) (RU)
Область использования: экология, дистанционные методы мониторинга природных сред, система санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов. Способ включает зондирование атмосферы гиперспектрометром, установленном на космическом носителе, расчет суммарной концентрации загрязнителей в процентах [%]Σ по отношению суммарного ΔWΣ затухания эталонного, по Планку, светового потока, дважды прошедшего атмосферу к его затуханию ΔW(O2) в полосе поглощения кислорода O2, концентрация которого в атмосфере составляет 21%; [%]Σ=21%·ΔWΣ/W(O2), вычисление относительного сдвига (λ/λэт) средневзвешенной длины волны эталонного, по Планку, солнечного потока, расчет, по эмпирической зависимости, концентрации примесных газов [%]газов в атмосфере по вычисленному относительному сдвигу (λ/λэт), определение разности Δ[%]=[%]Σ-[%]газов между суммарной концентрацией примесей и концентрацией газов и отождествление полученной разности Δ[%] с концентрацией аэрозолей на зондируемой трассе. Техническим результатом является определение концентрации аэрозолей в атмосфере мегаполисов по единой технологии спектрометрических измерений при снятии требований одновременного измерения эталонных площадок. 1 табл., 7 ил.
Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов.
Промышленный прогресс неизбежно связан с увеличением выбросов так называемых «парниковых» газов в атмосферу, являющихся одной из причин глобального изменения климата планеты. Контроль состояния загрязнения атмосферы является составной частью обязанностей государств, подписавших Киотский Протокол по экологическому мониторингу природных сред. Основными видами загрязнений природных сред, подлежащих глобальному мониторингу по ЮНЕП, являются: двуокись углерода CO2, двуокись азота NO2, двуокись серы SO2. При антициклональных условиях в приземном слое происходит накопление аэрозолей как антропогенного характера, так и пылевых дымок от трансграничных переносов глобального характера, концентрация которых составляет сотни ppm.
Известен способ оценки состояния атмосферы путем расчета индекса ее состояния [см., например, «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий», Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, СССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987 г., стр.4-5, а также «Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России», под редакцией Э.Ю.Безугловой, ГГО им. А.И.Воейкова, Санкт-Петербург, 1994-1996 гг. - аналог].
Обычно индекс состояния рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в загрязнение атмосферы:
где mi [мг/м3] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере;
CHi [мг/м3] - предельная допустимая санитарная норма концентрации i-го вещества в атмосферном воздухе, согласно ГОСТ;
j - показатель степени изоэффективности вредного вещества, равный 0,85, 1, 1,3, 1,5 для веществ, соответственно, IV, III, II и I классов опасности;
ПДК - предельно допустимая концентрация веществ в атмосфере.
Недостатками известных аналогов являются:
- статистическая неустойчивость метода единичных локальных измерений на местности в контрольных точках как таковых;
- неопределенность выбора самих контрольных точек забора проб и зависимость результата измерений от случайных завихрений атмосферы в точках забора.
Известен «Способ определения загрязнения атмосферы мегаполисов», Патент RU №2422859 от 27.06.2011 г. - ближайший аналог. Способ ближайшего аналога включает дистанционное измерение гиперспектрометром спектральной характеристики отраженного светового потока от границы атмосфера-подстилающая поверхность с одновременным получением изображения региона, содержащего контрольные промышленные площадки, в красной полосе 570…670 нм, вычисление средневзвешенного значения длины волны λ и энергии отраженного потока W, определение загрязнения атмосферы по регрессионной зависимости:
qΣ[ПДК]=1,2(λ/λэт)1,5·(Wэт/W)2,6;
сортировку пикселей изображения по яркости, построение гистограммы их распределения и привязки среднего значения гистограммы к расчетному значению qΣ, расчет абсолютного распределения загрязнения атмосферы по площади региона в виде распределения Рэлея с расчетными числовыми характеристиками, где
qΣ - среднее значение индекса состояния атмосферы региона, ПДК;
λэт - средневзвешенное значение длины волны эталонного (по Планку) солнечного спектра, равное ~500 нм;
Wэт - энергия эталонного солнечного спектра, нормированного относительно максимума.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- необходимость обязательного присутствия в изображении региона контрольной промышленной площадки для калибровки измерительного тракта;
- невозможность раздельной оценки загрязнения атмосферы примесными газами и аэрозолями.
Задача, решаемая заявленным способом, состоит в количественном измерении концентрации аэрозолей в атмосфере путем нахождения разности между интегральным затуханием эталонного (по Планку) солнечного потока, дважды прошедшего атмосферу, и его затуханием при взаимодействии с примесными газами, определяемом по сдвигу средневзвешенной длины волны эталонного спектра.
Поставленная задача решается тем, что способ определения концентрации аэрозолей в атмосфере мегаполисов включает зондирование атмосферы гиперспектрометром, установленным на космическом носителе, расчет суммарной концентрации загрязнителей в процентах [%]Σ по отношению суммарного ΔWΣ затухания эталонного, по Планку, светового потока, дважды прошедшего атмосферу к его затуханию ΔW(O2) в полосе поглощения кислорода О2, концентрация которого в атмосфере составляет 21%; [%]Σ=21%·ΔWΣ/W(O2), вычисление относительного сдвига (λ/λэт) средневзвешенной длины волны эталонного, по Планку, солнечного потока, расчет, по эмпирической зависимости, концентрации примесных газов [%]газов в атмосфере по вычисленному относительному сдвигу (λ/λэт), определение разности Δ[%]=[%]Σ-[%]газов между суммарной концентрацией примесей и концентрацией газов и отождествление полученной разности Δ[%] с концентрацией аэрозолей на зондируемой трассе.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - эталонный (по Планку) солнечный спектр (1), его сдвиг и поглощение (2) в атмосфере мегаполисов;
фиг.2 - метод измерений затухания светового потока, дважды прошедшего атмосферу;
фиг.3 - полоса поглощения (пропускания) солнечного потока кислородом атмосферы, выбранная в качестве эталона;
фиг.4 - взаимодействие фотонов солнечного потока с молекулами примесных газов;
фиг.5 - зависимость относительного сдвига средневзвешенной длины волны солнечного спектра от концентрации (ПДК) примесных газов;
фиг.6 - семейство расчетных реализации концентрации аэрозолей в атмосфере на зондируемой трассе;
фиг.7 - функциональная схема устройства, реализующего способ.
Техническая сущность способа состоит в следующем.
С математической точки зрения для однозначного решения задачи количество измеряемых величин должно быть равно числу неизвестных. В заявленном способе концентрацию аэрозолей определяют через разность интегрального затухания светового потока и его затухания, вызываемого только примесными газами. Следовательно, необходимо использовать два независимых метода измерений двух параметров, базирующихся на различных физических принципах. На аэрозолях световой поток затухает в результате диффузного рассеивания. Затухание светового потока на примесных газах обусловлено резонансным поглощением энергии и флуоресцентным переизлучением поглощенной энергии. В соответствии с законом Стокса переизлучение энергии молекулами всегда происходит на большой длине волны, т.е. в результате взаимодействия светового потока с молекулами примесных газов наблюдается сдвиг солнечного спектра в длинноволновую (красную) область. Таким образом, селектируемыми (измеряемыми) параметрами, обеспечивающими однозначность решаемой задачи, являются: интегральное затухание светового потока и сдвиг спектра в красную область видимого диапазона.
Недостатком методов дистанционного зондирования является их зависимость от условий съемки (угла визирования, высоты Солнца, времени года, суток). Это требует эталонной калибровки тракта измерений. В известных аналогах калибровку тракта спектрометрических измерений осуществляют путем эталона яркости, освещенного Солнцем, выполненного в виде молочно-матовой пластины из стекла МС-14, устанавливаемой вблизи входной щели спектрометра. В заявленном способе в качестве эталонной используют функцию солнечного спектра I(λ). Эталонная функция солнечного спектра, нормированная относительно максимальной интенсивности, иллюстрируется графиком фиг.1. Метод измерений интегрального затухания светового потока по трассе распространения, дважды прошедшего атмосферу, иллюстрируется графиком фиг.2.
Атмосфера Земли содержит известный состав газов: азот - 78%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы [см. «Советский энциклопедический словарь» под редакцией А.М.Прохорова, 4-е издание, Сов. Энциклопедия, 1989 г., Атмосфера, стр.86]. Из опытов Кирхгофа известно, что непрерывный солнечный спектр, проходя через газовую среду, становится линейчатым, в нем появляются темные линии или полосы поглощения. Одноатомные газы имеют линейчатый спектр поглощения, совпадающий по положению спектральных линий со спектром испускания. В заявленном способе измерение интегрального поглощения осуществляют на основе анализа поглощения светового луча, дважды прошедшего атмосферу, во всем видимом диапазоне путем сравнения с поглощением луча в спектральной полосе кислорода (O2), концентрация которого в атмосфере считается известной. Способ спектрометрических измерений светового потока, дважды прошедшего атмосферу, иллюстрируется рисунком фиг.2.
Энергию затухания светового потока за счет поглощения вредными примесями по трассе распространения, дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают из соотношений:
ΔWΣ=Wэтал-Wсиг(измерение);
Затухание сигнала в полосе поглощения кислорода O2 соответственно:
ΔW(O2)=Wэтал-Wсиг(B полосе O2);
Откуда интегральная концентрация примесей в атмосфере (с учетом того, что интегральное затухание пропорционально интегральной концентрации):
[%]Σ=21%(O2)·ΔWΣ/W(O2); (*)
Энергия одного кванта (по квантовой теории Планка) w=hν, где h - постоянная Планка, ν - частота. Поскольку длина волны λ=c/ν (с - скорость света), то энергия кванта: 
. Полную эталонную энергию светового потока вычисляют по соотношению Рэлея [см., например, Заездный В.М., «Основы расчетов по статистической радиотехнике», Связь-издат, М, 1964 г., стр.93-94]:
,
где I(λi) - амплитуда эталонного сигнала на спектральной линии λi;
n - количество спектральных линий в полосе затухания, на которых проводят измерения вредных примесей.
Устойчивость результата измерений независимого от систематических ошибок, высоты Солнца, азимута зондирования, коэффициента отражения от подстилающей поверхности достигается также использованием метода отношений приращений измеряемых величин (формула*).
С учетом изложенного, приоритетное значение приобретает правильный выбор спектральной полосы поглощения для кислорода (O2). На графиках фиг.3 представлена полоса поглощения кислорода, используемая в качестве эталона сравнения при измерениях. Затухание сигнала на вредных примесях измеряют на всех спектральных составляющих видимого диапазона.
В качестве второго независимого параметра измеряют сдвиг солнечного спектра в длинноволновую область. Взаимодействие солнечного излучения с антропогенными частицами происходит на молекулярном уровне. При сталкивании фотонов светового потока с молекулами газов происходит передача квантов энергии (hυ*) молекулам, которые переходят в возбужденное состояние. Взаимодействие светового потока с молекулами смогов иллюстрируется фиг.4. При всех видах возможного взаимодействия светового потока с молекулами смогов над мегаполисами, как то: поглощение, рассеяние, флуоресцентное переизлучение - интегральный эффект состоит в смещении спектра видимого диапазона в его длинноволновую часть (красная область), [см., например, Р.Межерис, Лазерное дистанционное зондирование, перевод с англ., Мир, М, 1987 г., стр.124, табл.3.4 Волновые числа комбинационного сдвига на длине волны 337,1 нм]. Ниже представлены некоторые извлечения из данной Таблицы для некоторых примесных молекул смогов.
| Тип молекулы вещества | NO2 | SO2 | CO2 | NH3 | С2Н2 | H2S | СО | NO | H2O |
| Длина волны рассеянного излучения, нм | 345,7 | 350,8 | 352,5 | 378,8 | 380,3 | 369 | 363,9 | 365,9 | 384,4 |
| Абсолютная величина смещения Δλ, нм | 8,6 | 13,7 | 15,4 | 42,7 | 43,2 | 32 | 16,8 | 18,8 | 47,3 |
В результате комбинационного рассеяния солнечного света происходит перераспределение энергии между спектральными составляющими видимого диапазона, а регистрируемое спектральное изображение антропогенно загрязненных участков приобретает преимущественно красноватый или темно-вишневый оттенок. Интегральный эффект взаимодействия фотонов светового потока с молекулами смогов состоят в сдвиге спектра видимого диапазона в длинноволновую (красную) область.
Количественным параметром такого смещения служит средневзвешенная длина волны λср отраженного потока, исчисляемая как:
Средневзвешенное значение длины волны делит площадь под фиг.1 пополам. Средневзвешенная длина волны эталонного (по Планку) спектра составляет λэт≈500 нм. В зависимости от мощности смогов (ПДК) относительное смещение достигает λ/λэт≈1,1…1,4, как это иллюстрируется графиком фиг.5. По вычисленному сдвигу средневзвешенной длины волны и графику фиг.5 определяют загрязнение атмосферы примесными газами (q). Основные примесные газы, подлежащие глобальному мониторингу по ЮНЕП: СО2, NO2, SO2 - имеют примерно равный молярный вес. Известно, что один моль любого газа занимает объем, равный 22,4 л. Это позволяет получить робастную оценку концентрации примесных газов аналитически из соотношения:
Конкретные расчетные величины приведены в примере реализации.
Пример реализации способа.
Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.7. Функциональная схема устройства содержит космический аппарат (КА) наблюдения 1, типа «Ресурс». На космическом аппарате установлен гиперспектрометр 2 (типа «Астрогон»). Трассовую покадровую съемку запланированных регионов 3 осуществляют по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 4 из Центра управления полетом (ЦУП) 5 по радиолинии командного управления 6. Результаты измерений записываются в буферное запоминающее устройство 7 и по командам БКУ, в зонах радиовидимости КА с наземных пунктов, сбрасываются по мобильному каналу связи 8 на пункты приема информации (ППИ) 9. После предварительной обработки кадров по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты участка) на средствах 10 информацию передают в Центр тематической обработки 11, где через устройство ввода 12 она вводится в ПЭВМ 13 в стандартном наборе элементов: процессор 14, винчестер 15, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 16, дисплей 17, принтер 18, клавиатура 19. Результаты измерений концентрации примесных газов по трассе полета КА выводятся на сервер 20 сети Интернет.
Гиперспектрометр «Астрогон-1» имеет несколько параллельных спектральных каналов в видимом, в том числе и в ближнем инфракрасном диапазоне 0,9-1,6 мкм, со спектральным разрешением от 1,5 до 50 нм, разрядностью квантования 12 бит и углом поля зрения 0,11° [см., например, «Малый космический аппарат «Вулкан-Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения», Инженерная записка, РАКА, НИИЭМ, НТЦ «Реагент», стр.8-10].
При исходных данных тракта зондирования в полосе поглощения кислорода эталонной (по Планку) функции солнечного спектра (фиг.1 (1)) и его сдвига (фиг.1 (2)), зависимости q газов от относительного сдвига спектра (λ/λэт) фиг.5, расчетные значения оцениваемых параметров представлены табл.1.
| Таблица 1 | |||||
| Сдвиг λ/λэт | q | [%]газов | Затухание в полосе O2 ΔWΣ(O2) | Суммарное затухание сигнала ΔWΣ | Концентрация аэрозолей, ppm |
| 1,15 | 1,5 | 0,0026 | 0,0057 | 0,0042 | 15 |
| 1,25 | 3 | 0,0057 | 0,0057 | 0,0048 | 20 |
| 1,4 | 6 | 0,0034 | 0,0057 | 0,0073 | 60 |
Графики расчетных значений концентрации аэрозолей иллюстрируются фиг.6.
Эффективность способа характеризуется возможностью раздельного измерения в атмосфере примесных газов и аэрозолей по единой технологии спектрометрических измерений при снятии требований одновременного измерения контрольных площадок. Последнее позволяет проводить трассовые измерения загрязнения атмосферы в глобальном масштабе на любом освещенном участке орбиты космического носителя.
Способ определения концентрации аэрозолей в атмосфере мегаполисов включает зондирование атмосферы гиперспектрометром, установленным на космическом носителе, расчет суммарной концентрации загрязнителей в процентах [%]Σ по отношению суммарного ΔWΣ затухания эталонного, по Планку, светового потока, дважды прошедшего атмосферу к его затуханию ΔW(O2) в полосе поглощения кислорода O2, концентрация которого в атмосфере составляет 21%; [%]Σ=21%·ΔWΣ/W(O2), вычисление относительного сдвига (λ/λэт) средневзвешенной длины волны эталонного, по Планку, солнечного потока, расчет, по эмпирической зависимости, концентрации примесных газов [%]газов в атмосфере по вычисленному относительному сдвигу (λ/λэт), определение разности Δ[%]=[%]Σ-[%]газов между суммарной концентрацией примесей и концентрацией газов и отождествление полученной разности Δ[%] с концентрацией аэрозолей на зондируемой трассе.
