Аэрокосмические наблюдения
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.
Рекомендуемые материалы
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).
Рекомендуем посмотреть лекцию "Проблема конфликта в теории МО".
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.
