Мониторинг атмосферы республики Татарстан

Состав выбросов. В выбросе  обычно присутствую целый ряд  веществ. Состав выброса определяется характером производства и его технологий.

Представляется возможность  выделить группу веществ, связанных  со сжиганием ископаемого топлива: угля, нефтепродуктов и газа на предприятиях, электростанциях и транспорте.

При полном сжигании топлива  в атмосферу должны поступать  углекислый газ и пары воды, а  также окислы серы, азота и минеральные  частицы, химический состав которых  может сильно варьировать в зависимости  от исходных включений различных  соединений в топливо, Реально топливо  редко сгорает полностью.

Все газы и частицы, взаимодействуя с атмосферной влагой и реагируя друг с другом, превращаются в атмосферные  аэрозоли. Из экспериментальных измерений  аэрозолей, проведенных различными методами в самых разнообразных  районах, найдено, что аэрозоли можно  разделить на две группы, или фракции: тонкодисперсную и грубодисперсную, которые характеризуются определенными  размерами и элементным составом.

Основные процессы образования  и превращения аэрозолей происходят в тонкодисперсной фракции. Аэрозоли тонкодисперсной фракции представляют собой ядра конденсации, частицы  Айткена и кумулятивные частицы.

Аэрозоли грубодисперсной  фракции представляют собой в  основном твердые частицы, привнесенные в атмосферу и оседающие под  действием силы тяжести. В зависимости  от географического района и химического  состава такие аэрозоли следует  подразделять на четыре типа: городские, природные, промышленных районов и  дымовых факелов.

Городские аэрозоли хорошо описываются логарифмически-нормальным распределением по размерам. Основным источником ядер конденсации в городских  аэрозолях является автомобильный  транспорт, а субмикронных, или кумулятивных, частиц – промышленные объекты, в  то время как аэрозоли грубодисперсной  фракции целиком обусловлены  локальными источниками. То же относится  к сильно загрязненной атмосфере  примышленных районов. Концентрация аэрозолей  грубодисперсной фракции (частиц от 1 до 100 мкм) во всех типах остается практически  постоянной и составляет в объеме около 30 мкм³/см³.

Систематические измерения  распределения аэрозолей по размерам и их пространственно-временных  вариаций позволяют установить более  определенные взаимосвязи между  природными аэрозолями и распределением источников, ростом и превращением частиц, их удалением из атмосферы  и дальностью распространения благодаря  переносу их с воздушными массами. Для  идентификации аэрозоля с его  источниками важное значение имеет  измерение химического состава  частиц, содержащихся в воздушных  массах.

Удовлетворительных способов измерения неорганизованных выбросов, а также выбросов от распределенных источников, в том числе от автотранспорта, практически нет.

Следует указать, что контроль может давать наибольший эффект, когда  он осуществляется специализированными  организациями независимо от ведомств, которым принадлежат источники  выбросов.

2.2. Дистанционные методы в исследованиях загрязнения природной среды  

Регистрация загрязняющих веществ  на станциях мониторинга осуществляется инструментальными и ручными  методами. Концентрации исследуемых  веществ измеряются непосредственно  в пункте наблюдения, вблизи поверхности  земли. Исключение составляют лишь наблюдения за интегральным количеством озона  во всей толще атмосферы на специальных  озонометрических и фоновых станциях. На инструментальных и ручных методах  основывается контроль выбросов организованными  источниками. Между тем такие  методы часто оказываются недостаточными для удовлетворительной количественной характеристики сложной пространственно-временной  структуры полей концентрации загрязняющих веществ. При мониторинге источников загрязнения эти методы не могут  обеспечить количественную характеристику выбросов не только неорганизованных и распределенных источников, но и  организованных, если их число достаточно велико.

Отмеченные трудности  получения достаточно надежных данных в принципе могут быть преодолены при использовании дистанционных  малоинерционных методов, позволяющих  измерять концентрацию загрязняющих веществ  в любой заданной точке пространства с координатами х, у, z в момент времени t. Такие методы обычно называют дифференциальными [1].

Наиболее очевидными являются возможности дистанционных методов, связанные с получением более  детальной структуры полей концентрации по сравнению с обычными измерениями  на станциях.

 
  3. Модели расчета рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе  
  3.1. Аналитическая модель аэрозольного рассеяния  

Для построения оптических моделей атмосферы и расчетов характеристик рассеяния для  различных сред выбирают соответствующие  законы распределения частиц f(r), состава  и показателей преломления. Для  различных состояний атмосферы  вычисляются полидисперсные коэффициенты рассеяния для данных функций  распределения по размерам, которые  затем сравниваются с экспериментально измеренными значениями B_рас. Вот одна из аналитических моделей, хорошо зарекомендовавшая себя в практических применениях. В качестве ядра была принята полученная аппроксимированная функция Ми, справедливая для любых вещественных значений показателя преломления:

Представление фактора эффективности  хорошо описывает аэрозоли с показателем  преломления до 2,0. При наличии  поглощения эта формула также  может быть использована.

Также было получено выражение  для полидисперсного коэффициента рассеяния отдельно для малых  и больших частиц в приближении  Хюлста:

Таким образом, для функции  распределения аэрозолей по размерам, имеем аналитическую модель полидисперсного  коэффициента рассеяния для полного  спектра «мягких» частиц, для малых  частиц, для больших частиц, а  также модель коэффициента рассеяния, справедливую для всего диапазона  изменения вещественной части показателя преломления частиц (1,0 меньше n меньше 2,0)

При исследовании аэрозоля в выбросах существенное значение имеет  учет показателя преломления вещества аэрозоля, который несет в себе информацию о химическом составе  аэрозоля. В этом плане использование  описанной выше модели весьма перспективно. Эта модель неоднократно использовалась для определения параметров аэрозолей  по оптическим измерениям. Построение аналитической модели коэффициента рассеяния, основанное на аналитическом  решении прямой задачи атмосферной  оптики с учетом оптических свойств  аэрозоля, позволило использовать метод  параметризации для отыскания свойств  аэрозоля.

 
  3.2. Метод оптимальной параметризации  

Зависимости для полидисперсного  коэффициента рассеяния позволяют  определять параметры аэрозолей  путем построения алгебраической системы  уравнений.

Аналитическое или графическое  решение системы позволяет найти  приблизительные значения параметров распределения аэрозолей из измерений  в трех длинах волн. Эти приближенные значения могут служить, с одной  стороны, для оперативных оценок аэрозолей, а с другой — в качестве начальных условий для метода оптимальной параметризации.

Для получения более точных значений параметров аэрозоля и особенно счетной концентрации N по объемному  коэффициенту рассеяния используется избыточность информации, полученной при лазерном зондировании. Для этого строится функционал вида

Минимизация этого функционала  для отыскания оптимальных параметров модели осуществляется «методом оврагов». Ошибка в определении параметров модели коэффициента аэрозольного рассеяния, при условии корректности этой модели, может быть оценена из эмпирической дисперсии [2].

Использование лазерной техники  и автоматизированная обработка  эхо-сигналов позволяют получить статистически  обоснованные значения параметров распределения  частиц.

Для выявления максимумов в распределении частиц по размерам хорошо иметь измерения, охватывающие широкий диапазон изменения длин волн зондирования. Например, для построения двухмодального распределения необходимо увеличить число длин волн до пяти. Однако, увеличение длин волн больше шести  не приводит к увеличению информативности  данных измерений для построения модели аэрозолей.

Максимальный вклад в  коэффициент рассеяния дают частицы размерами 0,1 – 1,0 мкм, которые в большинстве своем состоят из сульфатов. Для определения распределения этих частиц достаточно проводить измерения в видимой области спектра. Применение метода оптимальной параметризации для оценки распределения аэрозоля по результатам лазерного зондирования является наиболее эффективным. А использование описанной выше модели аэрозоля позволяет проводить оперативную обработку эхо-сигналов непосредственно на борту лидарной системы, что невозможно сделать при использовании численных моделей. Использование аппроксимированной функции Ми в качестве ядра модели не приводит к большим ошибкам.

 
  3.3. Перенос аэрозольных загрязнений  

При наличии данных, полученных путем длительных измерении концентрации аэрозольных загрязнений, присущих данному району, появляется возможность  разделения антропогенного загрязнения  и естественного аэрозоля, присущего  данному району. Так как достаточно хорошо установлена однозначная  корреляционная связь между сульфатными  частицами и коэффициентом рассеяния  или видимостью, то по непрерывным  измерениям коэффициентов рассеяния  и временным вариациям этого  коэффициента даже на одной длине  волны можно путем частотной  селекции этих измерений разделить  аэрозольные массы, привнесенные фронтами, и локальные естественные аэрозоли (местный фон). Первые из них характеризуются  долгопериодными вариациями видимости  или коэффициента рассеяния, а вторые — короткопериодными вариациями видимости. При наличии лазерного  зондирования можно получать высотные профили коэффициента рассеяния, характеризующие  высотное рассеяние аэрозольных  концентраций. Таким же образом можно  измерять концентрации аэрозолей в  городах, которые тоже, несмотря на наличие источников, будут зависеть от химических и динамических процессов.

Лидарные системы также  позволяют измерить высотный профиль  распределения сульфатных концентраций в слое перемешивания. Максимум концентрации сульфатов наблюдается на высоте 400 – 500 м. В настоящее время дальность зондирования промышленных образцов лидаров достигает 1 – 3 км.

Исследования дальнего переноса с помощью лазеров путем измерения  прозрачности и видимости можно  проводить с самолетов и со спутников. Подобные измерения позволяют  получать представление о глобальном переносе загрязняющих веществ в  пространстве и во времени. Оперативные  метеорологические спутники фиксируют  яркость, контрастность облачности, с помощью этих данных можно строить  карты крупномасштабных распределений  атмосферной пыли, дымок и смога. Инфракрасный спектрометр позволяет  с разрешением 4 км давать информацию о восходящем излучении в области 10,5—12,5 мкм. С помощью радиометра данные получают в области 0,54—0,70 мкм  с разрешением 1 км. Измерения проводятся в 30-минутном интервале.

Анализ данных метеорологических  спутников показал, что пылевые  вкрапления достаточно больших размеров хорошо коррелируют с сульфатными  концентрациями. Таким образом, по спутниковым  данным могут быть изучены процессы дальнего переноса и удаления примесей загрязняющих веществ из атмосферы. Четко идентифицируется увеличение загрязнений с приходом определенных фронтальных масс. Спутниковые данные, кроме того, позволяют экстраполировать характеристики видимости, связанные  с присутствием аэрозольных загрязнений  на больших высотах, до 100 км, что  очень важно для высотной авиации.

Кроме того, на основе спутниковых  данных можно построить статистические и физические модели атмосферной  турбулентности, видимости и распределения  сульфатов. Отметим, однако, что для  количественной оценки сульфатной массы  необходимо преодолеть ряд трудностей, характерных вообще для спутниковых  измерений. А именно: важно хорошо знать альбедо системы Земля—атмосфера  и подстилающей поверхности. В этом .плане использование лазерных излучателей, установленных на Земле или спутнике, могут существенно упростить  проблему в силу монохроматичности  и стабильности излучения по мощности. Спектральные измерения со спутников  позволяют оценить концентрации озона, S0₂ и др. Так, в 1976 г. с помощью спутников были обнаружены области с максимально высокими концентрациями озона (до 80 млрд-1). Определение таких ультравысоких концентраций и есть задача мониторинга.

Лазерный мониторинг атмосферных  аэрозолей позволяет оценить  и скорость переноса аэрозолей с  воздушными массами. Для этой цели служит лазерный доплеровскии измеритель скорости. В основе этого измерителя лежит  непрерывно излучающий лазер.

 
  4. Разработки в данной области  

ГИС (геоинформационная система) – система, предназначенная для  сбора, хранения, преобразования и представления  географической информации. Принципиальное отличие ГИС от экологических  или других банков данных природной  информации состоит в их явно выраженной региональной направленности, что достигается  благодаря использованию картографических материалов как источника информации и объекта формализованной обработки.

Наибольший эффект достигается, когда оперативность, точность, полнота, выразительность, доступность и  комфортность в представлении информации, выходят на первый план. Это – мониторинг окружающей среды, обработка данных дистанционного зондирования, решение задач оптимального размещения промышленных предприятий.

 
  4.1. Информационная система анализа и прогнозирования рассеивания ЗВ в пограничном слое атмосферы в локальном масштабе