Оценка комплексной антропотехногенной нагрузки на объекты окружающей среды с помощью оптических и радиолокационных методов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «ВГТУ»)

Курсовой проект

Оценка комплексной антропотехногенной нагрузки на объекты окружающей среды с помощью оптических и радиолокационных методов

ВОРОНЕЖ -- 2022

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Общее представление о дистанционных методах контроля окружающей среды

2. Аэрокосмические (дистанционные) методы контроля окружающей среды

3. Определение антропотехногенной нагрузки на объекты окружающей среды Прихоперья с помощью аэрокосмических методов контроля окружающей среды

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

Экологический мониторинг (слежение) - процесс наблюдения за состоянием различных компонентов окружающей среды и оценка ее текущего состояния. Для более полноценной и комплексной оценки требуется правильная организация экомониторинга, назначение единых критериев и параметров качества окружающей среды. Экологический мониторинг может преследовать как региональные, так и глобальные цели.

Интенсивное воздействие человека на природу, негативные, часто необратимые последствия этого воздействия обусловливают необходимость глубокого и всестороннего анализа проблемы взаимодействия общества и природы. Такой анализ в настоящее время осуществляется в рамках природопользования.

Главная задача природопользования как научного направления - поиск и разработка путей оптимизации взаимодействия общества с окружающей природной средой. Рациональное природопользование предполагает управление природными процессами, т.е. запрограммированное воздействие на природные объекты с целью получения определенного хозяйственного эффекта. Чтобы управление было достаточно эффективным, необходимо иметь данные о динамических свойствах этих объектов, их изменении в результате антропогенного воздействия, предвидеть последствия вмешательства человека в ход естественных процессов.

Управление природными процессами должно опираться на надежную и достоверную информацию о прошлых, настоящих и будущих состояниях природных и природно-антропогенных систем. За последнее десятилетие накоплен большой материал по изменению природы. Однако, он не содержит данных о динамике развития процессов.

В связи с этим, встал вопрос об организации специальных наблюдений за состоянием окружающей природной среды и ее антропогенными изменениями с целью их оценки, прогнозирования и своевременного предупреждения о возможных неблагоприятных последствиях, т.е. о введении постоянной действующей службы наблюдения мониторинга.

Экологический мониторинг проводится на стационарных или мобильных пунктах: специально оборудованных автомобилях, постах, станциях, лабораториях, исследовательских центрах. Полученная информация затем обрабатывается. Методы экологического мониторинга различны и зависят от поставленных задач.

1.Общее представление о дистанционных методах контроля окружающей среды

аэрокосмический контроль окружающей среды

Неконтактные (дистанционные) методы контроля окружающей среды основаны на использовании двух свойств зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных): осуществлять взаимодействия с контролируемым объектом и переносить полученную 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 отражённых, прошедших или переизлученных зондирующих полей, созданных источником.

Неконтактные методы наблюдения и контроля представлены двумя основными группами методов: аэрокосмическими и геофизическими. Основными видами аэрокосмических методов исследования являются оптическая фотосъёмка, телевизионная, инфракрасная, радиотепловая, радиолокационная, радарная и многозональная съёмка.

Дистанционные методы широко применяются при изучении атмосферы, гидросферы и биолитосферы. Преимуществом дистанционного измерения является возможность беспрерывного определения средних концентраций вредных веществ по площади (в отличие от наземных методов, которые дают концентрации лишь в одной точке), а также оценки вертикального распределения примесей, характеризующих потенциал загрязнений. Кроме того, данные методы позволяют оценивать движение загрязняющих веществ в атмосфере без анализа проб в различных пунктах и, таким образом, устанавливать влияние источника загрязнения, расположенного на расстоянии нескольких километров, прогнозировать угрожающие ситуации.

Контроль загрязнения атмосферы. Впервые попытки изучения газовой оболочки Земли были предприняты великими русскими учеными. Первая служба погоды в России появилась в 1872 г. Множеством экспериментальных данных подтверждена связь между загрязнениями атмосферы и ее метеорологическими параметрами.

Метеорология- наука о земной атмосфере, ее строении, свойствах и происходящих в ней процессах. В процессе изучения физических свойств атмосферы и происходящих в ней явлений эта наука рассматривает их во взаимной связи со свойствами и влиянием подстилающей поверхности (суша, море).

Главная задача метеорологии - прогнозирование погоды на различные сроки. Основным компонентом в системе метеорологических наблюдений является метеорологическая станция. Она предназначена для регулярных наблюдений за состоянием атмосферы, которые включают измерения температуры, давления и влажности воздуха, скорости и направлении ветра, определения других характеристик состояния атмосферы (облачность, осадки, видимость, солнечная радиация), определение начала, окончания и интенсивности атмосферных явлений. Наблюдения ведутся по стандартной программе и используются для составления прогнозов погоды, изучения климата и его изменений, предупреждения о неблагоприятных метеорологических явлениях. При этом различают метеостанции наземные, дрейфующие, устанавливаемые на судах, на буях в открытом море.

Метеостанции оснащаются самыми разнообразными приборами. Так, актинометры используются для измерения интенсивности прямой солнечной радиации (излучения), падающей на перпендикулярную лучу поверхность. Принцип действия актинометра основан на поглощении излучения телом, близким по свойствам к черному телу (поглощает все падающее на него электромагнитное излучение), и превращения энергии солнечной радиации в тепловую энергию. Различают актинометры термоэлектрические, термобиметаллические и др.

Для измерения скорости ветра и газовых потоков используется прибор анемометр. Часто применяют автоматические анемометры с сигнальным устройством для определения опасных по совместному воздействию скорости и продолжительности порывов ветра и включения при этом соответствующих противоаварийных устройств.

Для измерений атмосферного давления используется прибор анероид (барометр), приземной частью которого служит металлическая коробка, внутри которой создано разрежение. В случае повышения атмосферного давления коробка сжимается и тянет прикрепленную к ней пружину. Перемещение последней передается стрелке, передвигающейся по шкале. Прибор для автоматической непрерывной записи изменений атмосферного давления называется барографом.

Гигрометр является прибором, служащим для определения абсолютной или относительной влажности воздуха - наиболее существенной характеристики климата. На гидрометеорологических станциях часто применяют гигрометры, чувствительным элементом которого служит человеческий волос или органическая (животная) пленка. Они обладают свойством изменять длину в зависимости от содержания водяного пара в воздухе. Для автоматической непрерывной записи влажности воздуха используют самопишущие приборы - гигрографы. Для измерений атмосферных жидких и твердых осадков используют прибор осадкомер (дождемер). Он состоит из сосуда, в который собираются осадки, и приспособлений, предотвращающих выдувание из него осадков. Осадкомер устанавливают так, чтобы приемная поверхность сосуда (ведра) находилась на высоте 2 м над почвой. К прибору прилагается мерный стакан с делениями, по которым измеряют количество выпавших осадков (в мм), количество безапелляционных осадков определяют после того, как они растают.

Метеорологический прибор, служащий для автоматической записи изменений температуры, называется термограф. Действие прибора основано на свойстве биметаллической пластинки чувствительного элемента деформироваться при изменении температуры воздуха. Температура регистрируется самопишущим прибором на бумажной ленте.

Для комплексных измерений метеорологических характеристик состояния атмосферы используется прибор метеорограф, включающий в себя устройства, регистрирующее изменения влажности (гигрограф), температуры (термограф) и давления (барограф).

Кроме вышеперечисленных приборов для измерений температуры, давления и влажности воздуха, применяют радиозонд, отличающийся автоматической передачей их значений по радио. В атмосферу радиозонд поднимается на шарах-пилотах, наполненных водородом. Радиосигналы, направленные от зонда, на Земле принимаются специальной радиоприемной аппаратурой с автоматической или полуавтоматической регистрацией показаний. Высота полета радиозондов -- 30-40 км, дальность действия 150-200 км. К основной аппаратуре радиозонда относятся датчики температуры, давления, влажности, преобразователь измеряемых величин (например, температуры) в электрический кодовый сигнал, радиопередатчик и источник электропитания.

Дальнейшее развитие познания атмосферных процессов связано с развитием дистанционных неконтактных методов контроля, позволяющих получать пространственную и временную информацию об изменении температуры, влажности, загрязнений, скорости и направлении ветра. В связи с этим разрабатываются акустические, радиоакустические, радиолокационные методы.

Радиоакустическое зондирование, которое осуществляют с помощью эхолокаторов либо с наземной станции, либо с борта самолета, основано на измерении скорости распространения звуковых волн от неподвижных или движущихся относительно среды (воздух, водоём) источников колебаний.

С целью повышения точности и достоверности измерений рекомендуется совмещение радиоакустической и акустической систем дистанционного неконтактного контроля приземного слоя атмосферы. В основе радиолокационных методов наблюдения различных объектов, в том числе природных, лежит область науки и техники - радиолокация.

Радиолокационное наблюдение осуществляется тремя способами:

1) облучением объекта радиоволнами и приемом отраженных от него (рассеянных им) радиоволн;

2) облучением объекта и приемом переизлученных (ретранслируемых) им радиоволн;

3) приёмом радиоволн, излучаемых самим объектом.

При первых двух (активных) способах применяют специальную приемопередающую радиостанцию - радиолокационную станцию, при последнем (пассивном) - приемную.

Радиолокационная станция (РЛС, локатор) - устройство для обнаружения и определения методами радиолокации местоположения объектов в воздухе, на воде или на земле. РЛС широко применяют в военном деле, на транспорте, в астрономии, космонавтике, метеорологии. Радиолокационная станция состоит из мощного радиопередатчика, работающего в метровом, дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн; направленной антенны; радиоприемника, работающего на той же волне, что и радиопередатчик; индикаторного устройства; вспомогательного оборудования (источников электропитания и др.).

Получение изображений местности с помощью радиолокационной аппаратуры, установленной на летательных аппаратах, называется радиолокационной съемкой. Она может проводиться в сложных метеоусловиях и в любое время суток, а также для изучения объектов закрытых снегом, растительностью, рыхлыми отложениями и другим и способна дать дополнительную информацию, которая отсутствует на фотографиях.

В последнее время получает свое развитие лазерный (лидарный) контроль атмосферы. Лазеры - это приборы, испускающие световой луч очень острой направленности, т. е. с очень малой расходимостью световых лучей.

Принцип лазерного зондирования атмосферы заключается в том, что лазерный луч при своем распространении рассеивается молекулами, частицами, неоднородностями воздуха, поглощается и изменяет свои физические параметры (частоту, форму импульса и др.). Появляется свечение (флюоресценция), что позволяет качественно и количественно судить о тех или иных параметрах воздушной среды (давлении, температуре, влажности, концентрации газов и т. д.). Лазерное зондирование атмосферы осуществляется преимущественно в ультрафиолетовом, видимом и микрометровом диапазонах. Использование лидаров с большой частотой повторения импульсов малой длительности позволяет изучать динамику быстро протекающих процессов в малых объемах и в значительных толщах атмосферы.

Обобщенные результаты вышеперечисленных методов контроля атмосферы позволяют устанавливать закономерности планетарного распределения облачного покрова, определять места зарождения и направление перемещения циклонов, тайфунов, пыльных бурь, аэрозольных и газообразных загрязнителей.

Начиная с 60-х г. в СССР и США проводятся регулярные запуски метеорологических спутников. Запускаются отечественные спутники серии «Космос» и «Метеор», американские спутники серий «Тирос», «Эсса», «Нимбус» и другие. За 1 час спутник накапливает и передает информацию с площади 30 тыс. км². Успешное функционирование космических систем предоставляет большой объем метеорологической информации. Значительное количество этой информации поступало с орбитальной станции «Мир», которая осуществляла непрерывный мониторинг за состоянием природной среды Земли.

Контроль загрязнения гидросферы. Наука, изучающая гидросферу Земли, ее свойства, протекающие в ней процессы, называется гидрологией. Раздел гидрологии, посвященный методам и приборам для определения характеристик природных вод, а также их обработке, называется гидрометрией.

Явления и процессы, протекающие в природных водах, тесно связаны с атмосферными явлениями. В частности, условия и формы движения воды зависят от атмосферных осадков. Наука, изучающая процессы, имеющие отношение как к атмосферному, так и к гидрологическому режиму Земли, называется гидрометеорологией.

Важнейшими характеристиками водной среды является уровень воды, глубина водоема, скорость водотока, температура, цвет водной поверхности, степень минерализации (солености), биомасса и другие характеристики. Система наблюдений за состоянием и качеством водной среды относится к области гидрометеорологии и осуществляется на соответствующих постах наблюдения -гидрометеорологических станциях. Так, например, слежение за уровнем воды осуществляется на многочисленных водомерных постах с использованием водомерных реек, а также различных самописцев.

В труднодоступных районах устанавливают дистанционные водомерные посты с самописцами уровня. Преимущество использования самописцев заключается в том, что они дают возможность получать информацию об уровне воды непрерывно: Дистанционные водомерные посты кроме самописцев уровня имеют еще и передающие устройства, основанные на радио - или электросвязи. Для непрерывного дистанционною контроля глубины водоема используют профилографы, которые по принципу действия делятся на механические, гидростатические и акустические. Механический профилограф измеряет глубину с помощью промерного груза на тросе или промерной штанги, перемещается по дну с передачей результатов на записывающий механизм с часовым заводом. Гидростатические профилографы производят замер глубин с помощью чувствительного датчика давления, перемещаемого на тросе по дну. Существующие гидростатические профилографы рассчитаны на промеры глубин до 15 м. Акустические профилографы основаны на использовании эхолота. В настоящее время акустические профилографы нашли широкое применение, так как обеспечивают высокую точность промерных работ. Акустические профилографы основаны на принципе измерения времени прохождения в воде ультразвукового импульса.

Для измерения скорости течения рек используется поплавковый метод с применением поверхностных, глубинных и интеграционных поплавков, а также гидрометрических вертушек. Принцип действия последних заключается в измерении частоты вращения ротора при обтекании его с разных сторон водой реки.

Контроль загрязнения водной среды дистанционными неконтактными методами осуществляется с помощью аэрофотосъемки. Полученные из космоса фотографии и телевизионные изображения широко используются при изучении загрязнения Мирового океана, структуры и направлений морских течений, ледового покрова, таяния льдов и др. На фотографиях четко видны снеговые и ледовые покрытия. Определение соотношения территорий, покрытых и не покрытых снегом, представляет большой интерес для прогноза паводков. Снимки дают возможность устанавливать заливаемые водой поймы и дельты рек, древние русла, качество воды в крупных водоемах и водотоках. Анализ снимков позволяет охарактеризовать засоленность прибрежных зон, водную эрозию, области выхода подземных вод на поверхность. Всемирная гидробиологическая служба, созданная на базе орбитальных станций, дает возможность получить исчерпывающие представления о водных ресурсах Земли и выбрать научные рекомендации их расходования, что весьма важно, так как человечество стоит перед опасностью хронического водного голода и уже теперь в некоторых странах ощущается нехватка воды.

Загрязнение Мирового океана -- один из аспектов общей проблемы загрязнения водной среды. К числу главных источников загрязнения океана следует отнести: нефть, бытовые и сельскохозяйственные стоки, радиоактивные вещества.

Одним из показателей загрязнения воды является изменение ее температуры. Измерение температуры водной поверхности осуществляется активными радиолокационными методами с использованием радиолокаторов. Температура водной поверхности фиксируется детектором с точностью, не превышающей ±0,5 "С. Измерение температуры проводят радиояркостным методом, основанным на измерении тепла, излучаемого водной средой, посредством радиоволн от видимого (400--760 нм) до метрового диапазона, мощность которого преобразуется в температуру.

К числу наиболее вредных химических загрязнений Мирового океана относятся нефть и нефтепродукты. Количество поступающей за год в Мировой океан нефти оценивается в 5-10 млн. т. Особенно высоко содержание нефтепродуктов в прибрежных зонах и в обширных, относительно малоподвижных районах океана, куда они заносятся течением. Нефтяные загрязнения поверхностных вод подвергаются дистанционному контролю, с помощью которого определяют площадь покрытия, толщину слоя, примерный химический состав, пространственно-временную динамику этих параметров.

Наиболее перспективными дистанционными неконтактными методами контроля нефти являются лазерный флюоресцентный, радиометрический и некоторые другие. Лазерный флюоресцентный метод основан на поглощении нефтяной пленкой светового потока (оптических волн), испускаемого лазером, и появления над поверхностью пленки свечения, которое принимается датчиком в виде спектров свечения, причем спектры свечения различных фракций нефти (легких, тяжелых) характеризуются разными длинами волн. Хорошо зарекомендовавшим себя устройством для выявления всех видов масел, находящихся в море, в условиях ясной погоды оказался инфракрасный датчик, работающий в спектральном интервале 8-14 мкм.

Основным и важным качественным показателем Мирового океана является его первичная продуктивность, которая обусловлена количеством фитопланктона и его биомассой. Биомассу измеряют по содержанию хлорофилла, поскольку существует связь между данными величинами. Для этой цели применяют спектрографические и спектрометрические методы, основанные на отражении видимого света или лазерного излучения от фитопланктона, включая также флюоресцентное излучение.

Весьма перспективным методом определения концентрации хлорофилла является флюоресцентный метод, суть которого состоит в анализе спектра отраженного сигнала и сравнении площадей спектральных полос флюоресценции хлорофилла и водной среды. Отношение этих величин пропорционально отношению концентраций хлорофилла и молекул воды. На сегодня уже имеется набор данных «спектр возбуждения - спектр флюоресценции», по которым можно судить о возможностях неконтактного контроля хлорофилла по его флюоресценции и, в частности, установлен факт, что вода как таковая собственной флюоресценцией не обладает. Кроме того, по изменениям форм спектра фотолюминесценции при соответствующих изменениях возбуждающей длины волны можно качественно характеризовать состав флюоресцирующего фитопланктона, по свечению в УФ-свете определять соотношение физиологически наиболее активных, ослабленных и неактивных (мертвых) хлорофиллсодержащих клеток.

Особую актуальность приобретают дистанционный мониторинг водных экосистем в связи с антропогенным воздействием на них. Результаты такого воздействия сказываются и в центральных частях акватории Мирового океана, где без дистанционных методов невозможно получить необходимую информацию.

Значительная часть всех измерений и исследований выполняется непосредственно на поверхности океана с помощью научно-исследовательских кораблей, а также радиотелеметрических океанографических буев. На последних устанавливаются датчики для измерения требуемых параметров, источники питания, устройства для записи информации и радиоаппаратура для передачи данных по радиоканалам на судовые или наземные приемные станции. Такие средства контроля открывают возможность в ближайшей перспективе регулярно и достаточно быстро обследовать всю акваторию Мирового океана и с помощью автоматизированных систем собирать и передавать информацию в наземные центры.

Контроль загрязнения суши (биолитосферы). В последнее время все большее распространение получают методы дистанционного исследования участков суши земной поверхности с применением спутников, лазерной и радарной техники.

Для мониторинга биолитосферы используется радарная аэросъемка. Радарная аэросъемка (РАС) - получение изображений местности с помощью радаров, установленных на летательных аппаратах.

Существует разнообразная аппаратура для радарной аэросъемки, которая дает оперативную и подробную информацию. РАС применяют для значительных площадей и получают изображение малых масштабов, благодаря чему радарная аэросъемка является мощным обобщающим способом изучения ландшафтных особенностей.

Для аэроисследования геологического строения земной коры, поиска и разведки месторожденийhttps://pandia.ru/text/category/poleznie_iskopaemie/полезных ископаемых используют следующие методы дистанционной индикации: фотосъемку, магнитные способы, гамма-съемку, электроразведку, гравитационную разведку, радиолокацию. В настоящее время экологический интерес к этим методам особенно проявляется при проектировании топливно-энергетических комплексов, изыскании железнодорожных трасс, выборе места заложения плотин, электростанций, проектировании трубопроводов, каналов, тоннелей и других объектов.

В сельскохозяйственном секторе экономики получают развитие аэрометоды почвенно-растительного контроля с использованием лазерной и радарной техники. Эти методы позволяют определить высоту деревьев, количество растений, измерить поток энергии, входящей в экосистему и выходящей из нее (соотношение поглощенной и отраженной радиации), получить данные, позволяющие предусмотреть распространение и статистические параметры растительности в зонах, где нет наземного контроля. Особенно перспективными являются лазерные исследования, при помощи которых можно провести учет пастбищных земель или обработанных участков; измерить очаги фитопатогенных факторов и предотвратить их распространение; выявить лесные пожары и т. п.

Для оценки состояния почвы и сельскохозяйственных культур, решения вопросов планирования агрометео - и агротехмероприятий необходимо прогнозировать оптимальные сроки сева, нормы и сроки полива, дозы питания и подкормки, меры борьбы с заморозками, засухой, сорняками, вредителями. При этом важно иметь достоверные, оперативные и широкомасштабные данные о температуре почвы и ее вертикальном профиле (температуре воздуха), влажности почвы по вертикальному разрезу, кислотности, гумусности почвы, сведения о состоянии посевов, снежном покрове.

Состояние посевов принято характеризовать следующими параметрами: биометрическими (биомасса, площадь листовой поверхности, высота, густота, площадь покрытия растительностью), повреждениями (полегание, поражение болезнями и вредителями), засоренностью (вид сорняков, количество, степень развития). Существенным экологическим параметром, которым оценивается антропогенное воздействие на посевы, является загрязнённость почв пестицидами, тяжелыми металлами, канцерогенами.

Изучение вышеперечисленных параметров основано на биометрии, т. е. совокупности приемов планирования и обработки данных биологических исследований методами математической статистики, а также оптических характеристик почвенно-растительного покрова.

Изучение почвенно-растительного покрова в видимой части спектра основано на зависимости отражательной способности поверхности от ее физических свойств. Для почв, покрытых растительностью, в отраженном световом потоке можно выделить составляющие, образованные почвенной поверхностью, растительной поверхностью и многократными переотражениями от границ воздух - растительность и растительность - почва (или более тонкой сложной структурой типов растительности и типов почв). На отражательные свойства оказывают также влияние запыленность растительной массы, ветер, тип минерального питания растений, концентрация в атмосфере водяного пара, заснеженность и другое.

Важную роль в литосферньгх исследованиях играет дистанционный контроль сезонного снежного покрова. Изучение снежного покрова (граница покрова, глубина, плотность, температура, влагосодержание) проводят с помощью активных и пассивных радиояркостных методов, использующих диапазон электромагнитных волн от видимого до метрового. Разбивая множество отраженных от поверхности объекта сигналов на группы сигналов, близких между собой по частоте (или длине волны), можно получить четкую картину границы снега, совокупности снега и деревьев, деревьев.

Первые практически пригодные активные звуколокационные устройства для работы в воздушной среде появились в послевоенный период и предназначались для ориентации слепых, профилирования стен, измерения уровней заполнения жидкостью. Однако в физиологическом контроле является важным не дальность локации, а чувствительность измерений.

Электромагнитный метод контроля в медицине и биологии стали использовать в начале XX века. Так, в 1924 г. было установлено, что кожа обладает способностью флюоресцировать синеватым цветом, оттенки которого у разных людей неодинаковы. Интенсивность и цвет флюоресценции кожи зависит от ее пигментации, кровенаполнения, состояния рецепторов, желез и др.

Учитывая важность знания упругих свойств внутренних органов и тканей и диагностические возможности ультразвуковых волн, электромагнитно-акустический метод неконтактного подповерхностного контроля приобретает важную роль. Метод основан на переходе в кожном покрове энергии лазерного излучения в ультразвуковые зондирующие волны, которые затем неконтактно регистрируются при выходе из тела.

Необходимо учитывать, что эффективность подобного преобразования энергии электромагнитного поля в энергию акустических колебаний сравнительно мала (по отношению к традиционным электроакустическим преобразователям), а также то, что акустическое давление при переходе из тела в воздух увеличивается всего в 1,5-2,0 раза. При численных оценках величины эффективности необходимо учитывать, что интенсивность облучающего кожу электромагнитного сигнала должна быть не более 50 мВт/см², интенсивность образованного акустического сигнала - менее 30 мВт/см², а также ряд других ограничений.

Изучая органы чувств человека, исследователи пришли к заключению, что они являются естественными биологическими датчиками контроля. Например, глаза представляют собой неконтактные электромагнитно-биологические индикаторы в диапазоне зондирующих волн 380-760 нм; уши являются неконтактными акустобио-логическими индикаторами, имеющих ограниченный спектральный диапазон восприятия акустических сигналов (20 Гц - 20кГц). Тактильные рецепторы кожи возбуждаются при прикосновении к ним или давлении на них. Тепловые рецепторы кожи различают тепло или холод. В частности, рука человека чувствует изменения температуры в 1 °С.

Одним из практически полезных методов почвенного контроля является метод изучения поверхностных радиоволн в различных его вариантах. К поверхностным радиоволнам относят электромагнитные волны, которые при своем распространении как бы прижаты к земной поверхности. Примером поверхностных радиоволн могут служить волны, излучаемые радиовещательными станциями.

Биофизические средства контроля. Важной составляющей современного мониторинга является биоэкологический мониторинг(санитарно-гигиенический), в основе которого лежат наблюдения над состоянием окружающей среды с точки зрения ее влияния на состояние здоровья человека и населения, т. е. человеческой популяции.

В последние годы первостепенное значение приобретает задача контроля за состоянием целостного организма и, естественно, возникает необходимость разработки общей методологии системного проектирования радиоэлектронной физиологической аппаратуры. В настоящее время существует большое разнообразие методик проведения биологических анализов, контактных средств контроля состояния человеческого организма, комплексов тепловизионных, томографических исследований.

Тенденции развития средств биофизического контроля (комфортность, оперативность, высокопроизводительность, достоверность), особенно в связи с появлением космической медицины, систем человек - оператор, глобальным решением задач здоровья, свидетельствуют о целесообразности более активной разработки и серийного освоения неконтактных методов и систем контроля. При этом необходимо рациональное совмещение неконтактных и традиционных контактных датчиков, разнообразных методологий контроля и диагноза. Учитывая, что в медицинской электронике изделие морально устаревает в среднем за 4-5 лет, необходимо сопоставлять как научно-технический уровень разработок, так и сроки их практического внедрения.

В человеческом теле имеется около 500 разновидностей тканей с различными электроакустическими свойствами, из чего вытекает целесообразность комплексирования биофизического контроля как по принципам (активный, пассивный), так и по типам зондирующих полей (электромагнитные, акустические). В связи с этим встают задачи электромагнитной и акустической совместимости датчиков контроля, сопряжения полученных данных в единый диагностический медико-биологический банк.

2. Аэрокосмические (дистанционные) методы контроля окружающей среды

Все возрастающую роль в комплексном мониторинге природной среды играют дистанционные методы исследований, наблюдения и контроля с использованием космической техники, т. е. аэрокосмические методы. Аэрокосмический метод - это уникальная система наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем.

Аэрокосмический мониторинг обладает рядом важных преимуществ по сравнению с другими методами наблюдения и контроля загрязнений природной среды, обеспечивая высокий уровень обобщения данных по загрязнению среды, глобальный охват антропогенных эффектов, оперативность получения информации по экологической ситуации в различных областях земного шара. Аэрокосмический мониторинг существенно дополняет наземные и корабельные средства наблюдений и контроля природной среды и позволяет объединить данные о состоянии окружающей среды на основе информации, полученной из космоса. Исследования Земли из космоса позволяют определить целую гамму важнейших экологических параметров экосистемы, таких как:

· температурные режимы океана, материков, атмосферы на разных уровнях;

· контроль океанических течений;

· определение динамики открытых и закрытых водных бассейнов;

· определение концентрации планктона в морях и океанах, солености воды;

· изучение явлений деградации почвенного покрова;

· исследование динамики лесных массивов, лесных и степных пожаров;

· исследование всех типов загрязнений атмосферы и гидросферы;

· исследование явлений вулканизма и их влияния на состояние экосистемы.

Оперативное слежение и контроль за состоянием окружающей среды и отдельных ее компонентов по материалам дистанционного зондирования и картам называют аэрокосмическим (или картографо-аэрокосмическим) мониторингом.

Аэрокосмический мониторинг позволяет одновременно получать объективную информацию и оперативно выполнять картографирование территории практически на любом уровне территориального деления: страна - область - район - группа хозяйств (землепользование) - конкретное сельскохозяйственное угодье - культура.

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий и т.п. Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт, - это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи. Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов (например, высокогорий). Наконец, аэро- и космические снимки служат источниками для создания общегеографических и тематических фотокарт.

Существует несколько основных направлений применения материалов дистанционного зондирования в целях картографирования:

* составление новых топографических и тематических карт;

* исправление и обновление существующих карт;

* создание фотокарт, фотоблок-диаграмм и других комбинированных фото картографических моделей;

* составление оперативных карт и мониторинг.

Составление оперативных карт - это один из важных видов использования космических материалов. Для этого проводят быструю автоматическую обработку поступающих дистанционных данных и преобразование их в картографический формат. Наиболее известны оперативные метеорологические карты. В оперативном режиме и даже в реальном масштабе времени можно составлять карты лесных пожаров, наводнений, развития неблагоприятных экологических ситуаций и других опасных природных явлений. Космофотокарты применяют для слежения за созреванием сельскохозяйственных посевов и прогноза урожая, наблюдения за становлением и сходом снежного покрова на обширных пространствах и тому подобными ситуациями, сезонной динамикой морских льдов.

Мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но также его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме того - разработку системы мер по предотвращению опасных последствий или поддержанию благоприятных тенденций. Таким образом, оперативное картографирование становится средством контроля за развитием явлений и процессов и обеспечивает принятие управленческих решений.

Задачи аэрокосмического мониторинга (АКМ).

Система аэрокосмического мониторинга позволяет регулярно и оперативно проводить:

1.Определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности и т. д.);

2.Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;

3. Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности;

4. Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий;

5. Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;

6.Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах;

7. Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах;

8. Регистрация дымных шлейфов от труб;

9. Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;

10.Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;

11. Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышленных предприятий.

Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже - для лучшей различимости некоторых объектов - ложноцветными, т.е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.

Рис. 1. Система наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем.

Для наблюдения за динамикой природной среды целесообразно использовать регулярную съемку нескольких десятков экологических полигонов ("горячих точек"), где неблагоприятные процессы идут особенно интенсивно и захватывают больше площади. Речь идет в первую очередь о космическом слежении за такими процессами, как:

- сокращение площади и падение продуктивности пастбищ в результате опустынивания, перевыпаса, нарушения растительного и почвенного покрова, ветровой эрозии;

- сокращение площади лесов, снижение их возраста и продуктивности, ухудшение состава насаждений вследствие вырубок, заболачивания, эрозии почв;

- поражение лиственных и хвойных лесов, посевов сельскохозяйственных культур вредителями и инфекциями;

- понижение плодородия почв из-за уменьшения содержания гумуса, ухудшения их структуры, водной эрозии;

- сокращение площади пашни вследствие отчуждения земель под несельскохозяйственное использование;

- подтопление, заболачивание, засоление почв в результате гидротехнического строительства и эксплуатации гидромелиоративных систем;

- понижение плодородия и продуктивности земель при осушении болот и пойм;

- сокращение площади лесов, пастбищ и полей, загрязнение почв и повреждение растительности в результате геотехнических работ;

- абразия (разрушение) берегов, просадочные, оползневые и другие изменения геологической среды;

- загрязнение почв и повреждение растительности вокруг городов и промышленных предприятий;

- загрязнение их стоками водных экосистем.

Обработка наблюдений для оценки и прогнозирования экологической ситуации

В крупных промышленных центрах степень загрязнения атмосферного воздуха может в ряде случаев превысить санитарно-гигиенические нормативы. Характер временной и пространственной изменчивости концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе определяется большим числом разнообразных факторов. Знание закономерностей формирования уровней загрязнения атмосферного воздуха, тенденций их изменений является крайне необходимым для обеспечения требуемой чистоты воздушного бассейна. Основой для выявления закономерностей служат наблюдения за состоянием загрязнения воздушного бассейна.

От возможностей и качества проводимых наблюдений зависит эффективность всех воздухоохранных мероприятий.

Служба наблюдений и контроля за состоянием атмосферного воздуха, как следует из названия, состоит из двух частей, или систем: наблюдений (мониторинга) и контроля. Первая система обеспечивает наблюдение за качеством атмосферного воздуха в городах, населенных пунктах и территориях, расположенных вне зоны влияния конкретных источников загрязнения. Вторая система обеспечивает контроль источников загрязнения и регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу.

Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха проводятся в районах интенсивного антропогенного воздействия (в городах, промышленных и агропромышленных центрах и т.д.) и в районах, удаленных от источников загрязнения (в фоновых районах).

Наблюдения в районах, значительно удаленных от источников загрязнения, позволяют выявить особенности отклика биоты на воздействие фоновых концентраций загрязняющих веществ.

Как правило, фоновые наблюдения по специальной программе фонового экологического мониторинга проводятся в биосферных заповедниках и заповедных территориях. Ранее биосферные заповедники были расположены по всей территории СССР. В биосферных заповедниках осуществляется оценка и прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха путем анализа содержания в нем взвешенных частиц, свинца, кадмия, мышьяка, ртути, бенз(а)пирена, сульфатов, диоксида серы, оксида азота, диоксида углерода, озона, ДДТ и других хлорорганических соединений. Программа фонового экологического мониторинга включает также определение фонового уровня загрязняющих веществ антропогенного происхождения во всех средах, включая биоты. Кроме измерения состояния загрязнения атмосферного воздуха, на фоновых станциях производятся также метеорологические измерения.

Сеть фоновых станций, расположенная на территории нашей страны, включена в Глобальную систему мониторинга окружающей среды (ГСМОС), функционирующую в соответствии с программой ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП) под эгидой ЮНЕП. Информация, получаемая с фоновых станций, позволяет оценивать состояние и тенденции глобальных изменений загрязнения атмосферного воздуха. Фоновые наблюдения проводятся также с помощью научно-исследовательских судов в морях и океанах.

При наблюдении за фоновыми уровнями загрязнения атмосферного воздуха разрабатываются модели переноса примесей, и определяется роль в процессах переноса гидрометеорологических и техногенных факторов. На фоновых станциях исследуются и уточняются: критерии создания сети наблюдений, перечни контролируемых примесей, методики контроля и обработки данных измерений, способы обмена информацией и приборами, методы международного сотрудничества. Так, например, по международным соглашениям станция базисного и регионального мониторинга должна размещаться на расстоянии 40-60 км от крупных источников загрязнения с подветренной стороны. На территориях, примыкающих к станции, в радиусе 40-400 км не должен изменяться характер деятельности человека. Было также установлено, что пробы воздуха должны отбираться на высоте не менее 10 м над поверхностью растительности.

На станциях фонового мониторинга наблюдение за качеством атмосферного воздуха осуществляется по физическим, химическим и биологическим показателям.

Необходимость организации контроля загрязнения атмосферного воздуха в зоне интенсивного антропогенного воздействия определяется предварительными экспериментальными (в течение 1-2 лет) и теоретическими исследованиями с использованием методов математического и физического моделирования. Такой подход позволяет оценить степень загрязнения той или иной примесью атмосферного воздуха в городе или любом другом населенном пункте, где имеются стационарные и передвижные источники выбросов вредных веществ.

Обычно расположение источников выбросов и их параметры известны или их можно определить. Зная метеорологические параметры, в том числе "розу ветров" можно с использованием математических и физических моделей рассчитать поля концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для любой ситуации. Но адекватность принятых моделей реальным ситуациям все равно должна проверяться экспериментально.

Для получения репрезентативной информации о пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха, нужно предварительно провести обследование метеорологических условий и характера пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха с помощью передвижных средств. Для этого чаще всего используется передвижная лаборатория, производящая отбор, а иногда и анализ проб воздуха во время остановок. Такой метод обследования называется рекогносцировочным. Он находит достаточно широкое применение за рубежом.

На карту-схему города (населенного пункта, района) наносится регулярная сетка с шагом 0,1; 0,5 или 1,0 км. На местности по специально разработанной программе случайного отбора проб отбираются и анализируются пробы в точках, совпадающих с узлами сетки, наложенной на карту-схему. Для получения статистически достоверных средних значений измеренных концентраций проводится анализ комбинаций точек на сетке, объединенных в квадраты, например, площадью (2-4) км 2, с учетом направлений ветра по направлениям. Такой метод позволяет выявить как границы промышленных комплексов и узлов, так и зоны их влияния. При этом обеспечивается возможность сравнения полученных результатов с расчетными данными математических моделей. Использование методов моделирования в этих работах является обязательным.

Если обнаруживается, что существует вероятность роста концентрации примеси выше установленных нормативов, то за содержанием такой примеси в выявленной зоне следует установить наблюдение. Если же такой вероятности нет и отсутствуют перспективы развития промышленности, энергетики и автотранспорта, установление стационарных постов наблюдений за состоянием атмосферного воздуха нецелесообразно. Такой вывод не распространяется на организацию наблюдений за фоновым уровнем загрязнения воздуха вне населенных пунктов.

Установив степень загрязнения атмосферного воздуха всеми примесями выбрасываемыми существующими и намечаемыми к строительству и пуску источниками, а также характер изменения полей концентрации примесей по территории и во времени с учетом карт загрязнения воздуха, построенных по результатам математического и физического моделирования, можно приступить к разработке схемы размещения стационарных постов наблюдений на территории города и программы их работ. Программа разрабатывается исходя из задач каждого измерительного пункта и особенностей изменчивости концентрации каждой примеси в атмосферном воздухе. Пост наблюдений может давать информацию об общем состоянии воздушного бассейна,если пост находится вне зоны влияния отдельных источников выбросов и осуществлять контроль за источниками выбросов, если пост находится в зоне влияния источников выбросов.

При размещении постов наблюдений предпочтение отдается районам жилой застройки с наибольшей плотностью населения, где возможны случаи превышения установленных пороговых значений гигиенических показателей ПДК. Наблюдения должны проводиться за всеми примесями, уровни которых превышают ПДК.

В обязательном порядке измеряются основные, наиболее часто встречающиеся загрязняющие воздух вещества: пыль, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота. Выбор других веществ, требующих контроля, определяется спецификой производства и выбросов в данной местности, частотой превышения ПДК.

Контроль за радиоактивным загрязнением атмосферного воздуха осуществляется как на фоновом уровне, так и в зонах влияния атомных электростанций и других источников возможных выделений или выбросов радиоактивных веществ. При контроле радиоактивного загрязнения на фоновом уровне используются существующие фоновые станции или специальные станции, установленные на расстоянии 50-100 км от возможного источника радиоактивного загрязнения. При контроле в радиусе до 25 км от возможных источников выбросов радиоактивных веществ используется как существующая сеть контроля. так и специальные посты наблюдений, где устанавливаются датчики гамма- излучения и приборы для отбора проб и анализа воздуха. Рекомендуется в зоне до 25 км иметь 10-15 специализированных пунктов контроля, оснащенных дистанционными системами и высокопроизводительными фильтрующими воздух установками, а также около 30 дополнительных стационарных пунктов контроля радиационной обстановки, оснащенных интегрирующими термолюминесцентными дозиметрами. При этом в пределах санитарно-защитной зоны создаются посты дистанционного контроля радиоактивного загрязнения атмосферного воздуха. Подсистемы дистанционного контроля оборудуются каналами связи. Для повышения достоверности информации в каждом пункте устанавливается несколько датчиков.

Важными методами контроля так называемого трансграничного переноса глобальных потоков примесей, переносимых на большие расстояния от места выброса, является система наземных и самолетных станций, сопряженных с математическими моделями распространения примесей. Сеть станций трансграничного переноса оборудуется системами отбора газа и аэрозолей, сбора сухих и мокрых выпадений анализа содержания примесей в отобранных пробах. Информация поступает в метеорологические синтезирующие центры, которые осуществляют:

- сбор, анализ и хранение информации о трансграничном переносе примесей в атмосфере;

- прогнозирование переноса примесей на основе метеорологических данных;

- идентификацию районов выбросов и источников;

- регистрацию и расчет выпадений примесей из атмосферного воздуха на подстилающую поверхность и другие работы.

В целях сопоставимости результатов наблюдений, полученных в разных географических и временных условиях, используются единые унифицированные методы отбора и анализа проб, обработки и передачи информации. Информация, получаемая на сети наблюдений, по степени срочности подразделяется на три категории: экстренная, оперативная и режимная. Экстренная информация содержит сведения о резких изменениях уровней загрязнения атмосферного воздуха и передается в соответствующие (контролирующие, хозяйственные) организации незамедлительно. Оперативная информация содержит обобщенные результаты наблюдений за месяц, а режимная - за год. Информация по последним двум категориям передается заинтересованным и контролирующим организациям в сроки их накопления: ежемесячно и ежегодно. Режимная информация, содержащая данные о среднем и наибольшем уровнях загрязнения воздуха за длительный период, используется при планировании мероприятий по охране атмосферы,установлении нормативов выбросов, оценках ущерба, наносимого народному хозяйству загрязнением атмосферного воздуха.

Для того чтобы воздухо-охранные мероприятия были эффективными, информация должна быть полной и достоверной. Полнота информации определяется числом контролируемых ингредиентов, сроками наблюдений, размещением сети наблюдений.Достоверность информации достигается строгим соблюдением нормативных требований, обеспечивающих получение репрезентативных данных, однородность информации, полноту наблюдений, правильность статистической обработки и санитарно-гигиенической оценки по данным наблюдений загрязнения атмосферного воздуха, корректность объяснения причин повышенных уровней загрязнения и тенденций (или их отсутствие) изменения уровней загрязнения атмосферного воздуха во времени и по территории, учет метеорологических условий переноса и рассеяния примесей режима выбросов в данном районе.