Дистанционные методы контроля окружающей среды

Контактные методы наблюдений и контроля за состоянием природной среды дополняются неконтактными

(дистанционными), основанными на использовании двух свойств зондирующих полей (электромагнитных, аку-

стических, гравитационных): осуществлять взаимодействия с контролируемым объектом и переносить полу-

ченную информацию к датчику. Зондирующие поля обладают широким набором информативных признаков и

разнообразием эффектов взаимодействия с веществом объекта контроля. Принципы функционирования средств

неконтактного контроля условно подразделяют на пассивные и активные. В первом случае осуществляется

приём зондирующего поля, исходящего от самого объекта контроля, во втором производится приём отражён-

ных, прошедших или переизлученных зондирующих полей, созданных источником.

Неконтактные методы наблюдения и контроля представлены двумя основными группами методов: аэро-

космическими и геофизическими. Основными видами аэрокосмических методов исследования являются оптиче-

ская фотосъёмка, телевизионная, инфракрасная, радиотепловая, радиолокационная, радарная и многозональная

съёмка.

Неконтактный контроль атмосферы осуществляется с помощью радиоакустических и лидарных методов.

Вначале радиоволны были использованы для анализа состояния ионосферы (по отражению и преломлению

волн), затем сантиметровые волны применили для исследования осадков, облаков, турбулентности атмосферы.

Область использования радиоакустических методов ограничена сравнительно локальными объёмами воз-

душной среды (около 1–2 км в радиусе) и допускает их функционирование в наземных условиях и на борту

воздушных судов.

Одной из причин появления отражённого акустического сигнала являются мелкомасштабные температур-

ные неоднородности, что позволяет контролировать температурные изменения, профили скорости ветра, верх-

нюю границу тумана.

Принцип лидарного (лазерного) зондирования заключается в том, что лазерный луч рассеивается молеку-

лами, частицами, неоднородностями воздуха; поглощается, изменяет свою частоту, форму импульса, в резуль-

тате чего возникает флюоресценция, которая позволяет качественно или количественно судить о таких пара-

метрах воздушной среды, как давление, плотность, температура, влажность, концентрация газов, аэрозолей,

параметры ветра. Преимущество лидарного зондирования заключается в монохроматичности, когерентности и

возможности изменять спектр, что позволяет избирательно контролировать отдельные параметры воздушной

среды. Главный недостаток – ограниченность потолка зондирования атмосферы с Земли влиянием облаков.

Основными методами неконтактного контроля природных вод являются радиояркостной, радиолокацион-

ный, флюоресцентный. Радиояркостной метод использует диапазон зондирующих волн от видимого до метро-

вого для одновременного контроля волнения, температуры и солёности. Радиолокационный (активный) метод

заключается в приёме и обработке (амплитудной, энергетической, частотной, фазовой, поляризационной, про-

странственно-временной) сигнала, отражённого от взволнованной поверхности.

Для дистанционного контроля параметров нефтяного загрязнения водной среды (площадь покрытия, тол-

щина, примерный химический состав) используется лазерный отражательный, лазерный флюоресцентный ме-

тоды и фотографирование в поляризованном свете.

Флюоресцентный метод основан на поглощении оптических волн нефтью и различии спектров свечения

легких и тяжёлых фракций нефти. Оптимальный выбор длины возбуждающей волны позволяет по амплитуде и

форме спектров флюоресценции идентифицировать типы нефтепродуктов.

Геофизические методы исследований применяются для изучения состава, строения и состояния массивов

горных пород, в пределах которых могут развиваться те или иные опасные геологические процессы. К ним от-

носятся: магниторазведка, электроразведка, терморазведка, визуальная съёмка (фото-, теле-), ядерная геофизи-

ка, сейсмические и геоакустические и другие методы.

В программу наземных инструментальных геофизических наблюдений в системе мониторинга включают-

ся:

 

 районы размещения дорогостоящих, ответственных и особо опасных объектов промышленного и граж-

данского строительства;

 промышленные зоны, в которых ведётся добыча полезных ископаемых, откачка (закачка) подземных

вод, рассолов (промышленных стоков), места складирования отходов и т.п.;

 территории, занятые топливно-энергетическими комплексами;

 территории с мульдами оседания земной поверхности;

 территории занятые промышленными предприятиями, на которых выполняются прецизионные работы

в различных сферах производственной деятельности;

 территории с неблагоприятной и напряжённой экологической обстановкой;

 территории расположения уникальных архитектурных сооружений и исторических памятников.

Основным видом непосредственного изучения опасных геологических процессов и явлений является ком-

плексная инженерно-геологическая съёмка (ИГС). Методика комплексной ИГС к настоящему времени доста-

точно хорошо отработана. Сейчас практически вся территория Российской Федерации покрыта государствен-

ной среднемасштабной съёмкой (1: 200 000; 1: 100 000 и в ряде случаев 1: 50 000). Методы получения инже-

нерно-геологической информации в ходе съёмки хорошо разработаны и включают в себя комплекс подготови-

тельных, полевых, лабораторных исследований. В ходе ИГС полевое изучение базируется на традиционных

маршрутах геологических, топографо-геодезических и ландшафтно-индикационных исследованиях, горнопро-

ходческих и буровых разведочных работах, полевом опробовании горных пород, динамическом и статическом

зондировании и т.д. В этот комплекс работ включаются и специальные аэрокосмические, геофизические, мате-

матические, геодезические, гидрогеологические наблюдения.

С 1990-х гг. в России проводились организационные работы в области экологического мониторинга с ис-

пользованием космических средств, а также формирования инфраструктуры региональных центров сбора и

приёма космической информации. В России существует несколько космических систем дистанционного зонди-

рования территории России, применимых для наблюдений за развитием опасных природных процессов и явле-

ний. Основными и наиболее доступными для использования в ЕГСЭМ из них являются системы дистанционно-

го зондирования «Метеор», «Океан», «Ресурс-0», «Ресурс-2» и др.

Изображения со спутников передаются на Землю в реальном масштабе времени в диапазоне 1700 МГц.

Возможность свободного приёма спутниковой информации наземными станциями обеспечивается Всемирной

метеорологической организацией согласно концепции «Открытого неба».

На наземных станциях приёма спутниковой информации производится приём, демодуляция, первичная

обработка и подготовка спутниковых данных к вводу в персональный компьютер станции.

На территории России в последнее десятилетие активно развивается сеть станций приёма данных от спут-

ников NOAA (американские метеорологические спутники), образующая наземную инфраструктуру региональ-

ного экологического мониторинга: в Москве (Институт космических исследований РАН, ВНИИ ГОЧС МЧС);

Красноярске (Институт леса СО РАН); Иркутске (Институт солнечно-земной физики СОРАН); Салехарде (Гос-

комитет по охране окружающей среды Ямало-Ненецкого автономного округа); Владивостоке (Институт авто-

матики и процессов управления ДВО РАН).

Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие задачи контроля со-

стояния окружающей среды:

 определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные

характеристики влажности, характер облачности;

 контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;

 определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация за-

грязнений почвы и водной поверхности;

 обнаружение крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий;

 контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;

 обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах;

 выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах;

 регистрация дымных шлейфов от труб;

 мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;

 обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;

 контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышлен-

ных предприятий.

 

 

 

Лабораторные исследования

 

Виды и элементы исследований Лабораторные методы ис- следований Химический состав почв, пород, донных от- ложений, снежного покрова, вод и расти- тельности Эмиссионный спектральный Атомно-абсорбционный Рентгенофлуоресцентный Нейтронно-активационный Атмосферный воздух Газохроматография Кулонополяграфический Рентгенофлуоресцентный Лазерный Неорганические вещества Атомно-абсорбционный Спектрофотометрический Ионная хромотография и др. Органические вещества Титрометрия Фотометрия Хромотографический Пестициды Газовая и жидкостная хро- матография Ртуть Атомно-абсорбционый (без- пламенный) Естественные радиоактивные элементы (уран, торий) Рентгеноспектральный Легкоподвижные формы урана Люминисцентный Лазерный Калий Пламенная фотометрия Атомная абсорбция Радий Радиохимический Нейтронно-активационный Цезий-137 Гамма-спектрометрический Стронций-90 Бетарадиометрия

 

 

Эмиссионный спектральный анализ – метод определения

химического состава вещества по его спектру излучения с помо-

щью спектральных приборов (спектроскопов, спектрографов,

спектрофотометров).

Преимуществом метода является возможность одновремен-

ного определения значительного числа элементов из одной пробы

при минимальном ее расходе (несколько мг). Чувствительность

метода колеблется от 10-2 до 10-5%.

Эмиссионный спектральный анализ позволяет проводить

приближенно-количественное и качественное (индивидуальное и

групповое) определение почти всех элементов в пробах почв, по-

род, донных осадков, снежного покрова, вод и растительности.

Приближенно - количественный анализ проводится на 37-40

элементов (бор, бериллий, барий, ванадий, висмут, вольфрам,

гафний, германий, гелий, золото, иттрий, иттербий, индий, ко-

бальт, кадмий, литий, лантан, молибден, марганец, мышьяк, медь,

никель, ниобий, олово, ртуть, свинец, стронций, сурьма, серебро,

скандий, титан, торий, тантал, таллий, уран, фосфор, хром, цир-

коний, цинк, церий).

Количественный анализ выполняется на три элемента

(мышьяк, сурьма, фтор).

Групповой количественный анализ проводится на 17 эле-

ментов (свинец, цинк, никель, кобальт, ванадий, хром, олово,

медь, титан, марганец, серебро, германий, вольфрам, молибден,

кадмий, бор, висмут).

 

 

 

Основными способами проведения анализов являются воз-

буждение атомов химических элементов: для металлов в вольто-

вой дуге или в электрической искре, для порошковых проб – на

угольном или металлическом электроде, для газов – в гейслеров-

ской трубке.

Наиболее эффективным является атомно-эмиссионный ме-

тод с индукционной плазмой, который использует в виде источ-

ника возбуждения высокочастотный индукционный разряд в ар-

гоне. Он обладает высокой точностью измерений, достаточной

чувствительностью, одновременным определением макро- и мик-

рокомпонентов, большой производительностью, возможностью

автоматизации процесса.

Атомно-абсорбционный метод подразделяется на беспла-

менный (чаще всего применяется для определения ртути) и с

пламенем, при котором образец растворяется под действием ки-

слоты и вводится в пламя при помощи распылителя. Для опреде-

ления

химических

элементов

используется

атомно-

абсорбционные спектрофотометры типа ''Сатурн'', ''Перкин-

Элмер'' и др. Метод обладает высокой точностью, высокой чувст-

вительностью определения, и позволяет определить разные

элементы из одного раствора.

Рентгенофлуоресцентные методы, в том числе и рентгенос-

пектральный, характеризуются довольно большой производи-

тельностью при малых затратах. Они используются для изучения

аэрозолей, природных и сточных вод, растительности и биологи-

ческого материала. Пробы воды и растительности предваритель-

но обогащают методами сорбции, озоления и др. Рентгенофлуо-

ресцентный метод позволяет определить формы нахождения эле-

ментов.

Нейтронно-активационный метод состоит из инструмен-

тального и радиохимического анализов. Предел обнаружения

элементов от 10-3 до 10-6%. Данным методом можно анализиро-

вать пробы с повышенным содержанием органики.

 

 

 

Инструментальный нейтронно-активационный анализ ис-

пользуется для определения элементов в почвах и растениях. Ра-

диохимический – для определения элементов-загрязнителей в

воздухе, воде, снеге, удобрениях, донных осадках, растительно-

сти, продуктах [13].

Для математической обработки результатов анализов суще-

ствуют разнообразные программы (одна из них ''ГЕОСКАН-200''

разработана в ИМГРЭ), которые позволяют выделить геохимиче-

ский фон с учетом ландшафтного районирования и гидрогеоло-

гического разреза.

По данным анализов рассчитывается степень экологической

опасности, строятся геоэкологические карты и т.д.