Автоматизированная система наблюдений и контроля окружающей среды

Автоматизированная система наблюдений и контроля окружающей среды (АНКОС-АГ) предназначена для автоматизированного сбора, обработки и передачи информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха. Система позволяет непрерывно получать информацию о концентрации примесей и метеорологических параметрах в населенных пунктах или около крупных промышленных предприятий. Технические возможности регистрации, передачи, хранения и обработки данных о загрязнении атмосферного воздуха позволили разработать основные принципы функционирования автоматизированных систем наблюдения за состоянием атмосферного воздуха.

В состав разработанной отечественной промышленностью АНКОС-АГ входят следующие технические средства:

· павильон, конструктивно представляющий собой металлический каркас прямоугольной формы размером 2300x4700x7600 мм;

· мачтовое устройство с комплектом метеодатчиков, установленных на крыше павильона, для измерения скорости и направления ветра, температуры, влажности;

· устройства отопления, вентиляции, освещения, кондиционирования и пожаротушения;

· газоанализаторы оксида углерода, диоксида серы, оксида, диоксида и суммы оксидов азота, озона, суммы углеводородов без метана;

· устройство сбора и обработки информации на базе микроЭВМ.

Обмен информацией между системой АНКОС и Центром обработки информации осуществляется по коммутируемым телефонным каналам общего пользования при помощи аппаратов передачи данных (АПД) и мультиплексора передачи данных (МПД). АПД, устанавливаемые на станциях АНКОС, совместно с АПД и МПД Центра обработки информации образуют автоматическую централизованную подсистему сбора информации от систем АНКОС. размещенных по городу или региону. Состав технических средств центра обработки информации:

· специализированный вычислительный комплекс на базе ЭВМ;

· мультиплексор передачи данных на базе микроЭВМ;

· пульт диспетчера;

· мнемосхема;

· вспомогательное и сервисное оборудование;

· программное обеспечение (пакета программ первичной и вторичной обработки данных измерений, банки данных, диспетчерские программы и др.).

Системы АНКОС-АГ и Центра обеспечивают:

· систематическое измерение заданных параметров атмосферного воздуха;

· автоматический сбор информации со станций АНКОС;

· сбор информации от неавтоматизированных звеньев наблюдений (например, от стационарных и передвижных постов);

· оперативную оценку ситуации по известным значениям ПДК;

· краткосрочный прогноз уровней загрязнения контролируемых примесей;

· обработку и выдачу информации.

Средства математического обеспечения включают следующие основные алгоритмы обработки данных:

· алгоритм первичной обработки (проверка достоверности служебной информации о загрязнении, приведение информации к виду, удобному для обработки и др.);

· алгоритм статистической обработки (определение числовых, вероятностных характеристик параметров загрязнения, метеорологических параметров и др.);

· алгоритм экспресс-информации о состоянии загрязнения во всех районах города в заданный момент времени;

· алгоритм краткосрочного и долгосрочного прогнозирования загрязнения воздуха;

· алгоритм управления, определяющий временной режим работы системы, последовательность этапов функционирования, контроль работоспособности системы, приоритет программ обработки данных и др.

Время усреднения данных о концентрациях примесей составляет не менее 20 - 30 мин, что соответствует времени отбора проб в поглотительные приборы. Частота выдачи информации автоматизированной системы может составлять от нескольких минут до нескольких часов.

Аэрокосмические наблюдения

Арокосмический мониторинг - уникальная информационная система, поскольку только с ее использованием могут быть легко получены осредненные по большим масштабам (в пространстве и во времени) интегральные признаки и характеристики экосистем. Аэрокосмичечкий метод - основной в решении задачи слежения за динамикой антропогенных изменений в экосистемах на больших площадях.

Для этой цели, помимо самолетных и аэростатных средств, широко используются специальные спутники и спутниковые системы - “Метеор” и “Метеор - Природа”, созданные в “ERTS” - (Earts Resources Technology Sattelite), “SKYLAB” и “LANDSAT”.

К информации, получаемой со спутников и используемой при организации экологического мониторинга, относится информация о состоянии лесов, с/х угодий, о растительности на суше и о сезонных изменениях ее состояния, о фитопланктоне моря, состоянии земной поверхности (почвенном покрове, нарушении земной поверхности в результате антропогенной деятельности, эрозионных процессах, об урбанизационных процессах), перераспределении водных ресурсов, загрязнении атмосферы, морей и суши.

Как видим, исследование загрязнения атмосферы - одна из возможных задач аэрокосмического мониторинга, причем не самая главная.

В аэрокосмическом мониторинге в основном используются пассивные методы измерения. Среди них наибольшее распространение получил метод многозональной видеоинформации (МВИ), получаемой с использованием специальных приборов - сканеров типа MSS - (multispectral scanners), работающий в четырех полосах ИК - излучения 0,5 - 0,6; 0,6 - 0,7; 0,7-0,8 и 0,8-1,1 мкм. Этот способ получения информации в основном используется на спутниках США. Российские спутники первоначально были оснащены основаны на простом соображении. Если измерить параметры светового потока на двух достаточно близких частотах, одна из которых совпадает с частотой максимального поглощения примесью, а вторая находится за пределами максимума, то, взяв отношение интенсивностей проходящего через исследуемую среду света, получают результат, почти лишенный влияния случайных факторов (шума). Действительно шум одинаковым образом отражается на величинах и в числителе, и в знаменателе, поэтому отношение этих величин оказывается почти лишенным влияния шума. Заметим, что полное исключение влияния внешнего шума возможно только при равенстве основной и опорной частот. Однако при этом исчезает возможность осуществления самого сравнительного измерения.

Процесс нормирования на опорный сигнал использует этот же принцип. Лучше всего оба приема реализуются при использовании активных дистанционных измерений с мощным моно хроматическим источником света - лазером.

Для двухчастотных измерений лазер должен быть настраиваемым на две или более частоты. При нормировании на опорный сигнал можно использовать и одночастотные лазеры.

Появление опорного сигала другой частоты связано с некоторыми естественными процессами в зондируемом объекте. Например, если лазерный метод используется для регистрации летящим вертолетом загрязнения поверхности воды нефтяной пленкой, то посылаемый с вертолета лазерный луч создает флуоресцентный сигнал нефтяного загрезнения и одновременно возбуждает молекулы воды, которые создают эхо-сигнал комбинационного рассеяния. Взяв отношение флуоресцентной компоненты к компоненте комбинационного рассеяния, производят операцию нормирования первого сигнала на второй. Полученное отношение будет мало зависеть от процессов в атмосфере (туман, дымка, турбулентность).

МВИ-снимки перспективно использовать при определении степени загрязненности атмосферы пылевыми и аэрозольными частицами. В видимом диапазоне света удается надежно идентифицировать пылевые выбросы трубами спектра. Позднее наши спутники также стали использовать мультиспектральные сканеры.

Для многозональных спектральных съемок используется излучение в диапазоне длин волн, относящихся к окнам прозрачности атмосферы. УФ-излучение с длинами волн короче 300 нм при таких съемках не используется, поскольку оно практически полностью поглощается атмосферой. Видимое излучение легко проходит через атмосферу Земли (кроме нескольких узких полос поглощения) и поэтому с успехом применяется в спектральных съемках, так же как и излучение в ближней ИК области, которые чаще всего используют для изучения природных ресурсов и состояния природных, сред, выделения антропогенных эффектов. Для многоцелевого зондирования удобен также диапазон ИК области 8-15 мкм, поскольку здесь практически отсутствует поглощение в атмосфере, а также тепловой и радиодиапазон. В целом ценность информации о подстилающей поверхности и об атмосфере зависит от правильности выбора Диапазонов длин волн.

Нас в данном пособии в основном интересует мониторинг атмосферного воздуха. Надо признать. что получить информацию о вещественном составе пассивными методами крайне сложно.

Применение же активных лазерных методов, способных обеспечить получение информации о составе и содержании примесей возможно, но сильно осложняется целым рядом явлений в атмосфере, создающим значительные помехи для измерений конценраций ЗВ на протяженных трассах (атмосферный шум).

Даже в самых благоприятных условиях 54% сигнала МВИ определяется так называемой атмосферной дымкой. Существенные помехи возникают из-за турбулентности атмосферы. Поэтому простое измерение поглощения света на какой-то длине волны не позволяет сделать однозначных выводов аэроаналитического характера. Чтобы уменьшить уровень шума, применяют двухчастотный метод или методы нормирования сигнала. Оба названных приема ТЭЦ, пожарами и т.п. и определить интенсивность этих потоков и длину распространения. В ИК-Диапазоне легко установить тепловые выбросы и определить их мощность. Наблюдения за дымовыми выбросами позволяют установить концентрацию частиц в факелах. Ингредиенты факелов можно определить по поглощению света в различных участках спектра.

Косвенный метод определения загрязнения атмосферы основан на регистрации степени поражения хвойной растительности дымовыми выбросами. Такой метод использовался спутником ERTS-1, на котором измерялась спектральная яркость в диапазонах 0,5-0,7 и 0,8-0,9 мкм.

Спутники системы “Метеор-Природа” оборудованы специальными многоспектральными сканерами, спектрометрами и микроволновыми радиометрами, которые позволяют выделять шлейфы аэрозолей антропогенного происхождения в городах и промышленных районах.

Одна из первых установок активного дистационного зондирования была установлена в 1983 г. на спутнике “Космос-1500”. Результаты спутниковых наблюдений показали, что шлейфы антропогенных аэрозолей распространяются на сотни и тысячи километров. Иногда почти вся территоря Европы покрывается дымкой антропогенного происхождения.

Перспективы дальнейшего развития спутникового дистационного зондирования тропосферы связаны прежде всего с решением проблем глобального круговорота воды, динамики облачного покрова, взаимодействия атмосферы и океана, атмосферной циркуляции в тропиках и изменяющегося газового состава тропосферы.

Особенно важное значение имеет долговременная эволюция состава средней атмосферы, в значительной степени обусловленная антропогенным воздействием. Для понимания этой эволюции необходимы данные о всех долгоживущих основных компонентах средней атмосферы, включая источники радикалов, сами радикалы и молекулы - “стоки”, обуславливающие удаление активных компонентов на протяжении как минимум одного 11-летнего цикла солнечной активности. В последнее время проведен ряд разработок и исследований по уточнению и развитию системы экологического мониторинга. Особое внимание уделено спутниковой аппаратуре различного назначения. Дальнейшее развитие существующих средств наблюдений планируется сконцетрировать на расширении средств наблюдений в радиодиапазоне, повышении пространственной разрешающей способности данных, получении стереоскопических изображений.