Лазерный мониторинг экологического состояния атмосферы

Мониторинг экологического состояния атмосферы, который осуществляется через систему пунктов наблюдения, имеет ряд существенных недостатков, а именно:

- определение концентрации загрязнения воздуха традиционным способом, контактно или путем взятия проб, не всегда легко выполнить, к тому же процесс отбора проб сопровождается воздействием на измеряемую среду, тем самым вносятся погрешности

- отбор проб носит разовый дискретно-временной характер

- традиционный способ не позволяет оперативно получать и обрабатывать необходимые данные и трудно поддается автоматизации

Мониторинг экологического состояния атмосферы

Достоверность традиционного контроля значительно снижается в регионах с высокими техногенными нагрузками и большим разнообразием выбросов вредных веществ, разнородных по своей физико-химической природе. К тому же с поля контроля выпадают много важных в экологическом отношении веществ, вредных для здоровья людей.

Существенно улучшить это положение можно только на основе использования лазерных технологий.

Применение лазерных технологий для мониторинга загрязнения атмосферы базируется на использовании уникальных свойств лазерного излучения таких как: монохроматичность, когерентность, направленность и малое различие излучения с высокой плотностью излучения и избирательностью.

При взаимодействии лазерного излучения с атмосферными загрязнителями могут наблюдаться несколько физических эффектов, а именно: резонансное поглощение, спонтанное-комбинационное рассеивание (СКР), упругое рассеивание, и флуоресценция.

Совместными усилиями ученых ХНУ им. Каразина, Института Голографии АН Прикладной радиоэлектроники и научно-производственных фирм «Экохим», «Лаборатория оптических технологий» и НПИК «Зирка» разработан вариант лазерного комплекса для определения концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.

В основе работы комплекса лежит метод спектроскопического детектирования лазерного излучения, проходящего сквозь исследуемый участок атмосферы. Измерения проводятся в инфракрасном диапазоне длин волн, где сосредоточены колебательно-вращательные спектры большинства газообразных молекул.

Регистрация и качественная характеристика загрязняющих атмосферу газов выполняется дифференциальным методом сравнения поглощения на нескольких частотах излучения лазера, накладывает высокие требования на параметры зондирующего лазерного излучения.

Преимущества метода:

- высокая чувствительность метода (от единиц до десятков ЖРО)

- значительная удаленность зондирования атмосферы (до 10 км)

- возможность дистанционного зондирования большого количества загрязняющих веществ (более 100 ингредиентов)

- малое время измерения концентрации загрязняющих газов (до 10 сек)

- высокая точность и избирательность

Лазерный комплекс по точности определения концентрации газового соединения в атмосфере не уступает зарубежным аналогам (разработки фирмы CONTREVES, США, и разработки Национальной физической лаборатории в Тредингтони, Великобритания), но имеет большую оперативность в получении данных благодаря оригинальной схеме параллельной обработки исследуемых спектров. Традиционные лидарные исследования аэрозолей способны обеспечить только качественную информацию о распределении аэрозольных частиц в исследуемом объеме атмосферного воздуха. Уникальность предложенного лазерного комплекса обеспечивается применением лидарной голографии, позволяет получать сведения о счетную и массовую концентрации аэрозолей путем непосредственного изучения изображений аэрозольных частиц.

Лазерный комплекс с применением лидарной голографии позволяет оперативно проводить полный анализ как газовых, так и аэрозольных соединений в заданной области атмосферы. Использование в лазерном комплексе метода спонтанного комбинационного рассеяния позволяет практически мгновенно получать значения концентраций газов в воздухе с высоким пространственным разрешением, обеспечивает определение с высокой точностью и оперативностью источников газовых загрязнений в сложных условиях экологически перегруженных промышленных зон. Изучение аэрозольной составляющей ведется по методике дистанционной регистрации поляризационных голограмм срезов атмосферы. Это позволяет получать сведения о концентрации аэрозолей путем непосредственного анализа изображений аэрозольных частиц, в отличие от других методик, не требует использования априорной информации о типе исследуемого аэрозоля и поэтому дает возможность избежать связанных с этим ошибок.

Аппаратура лазерного комплекса может быть размещена в закрытом кузове автомобиля с автономным источником электропитания, что обеспечит возможность перемещения его и проведения измерений в любой точке в пределах достаточно большой территории.

Предлагаемые лазерные комплексы для мониторинга загрязнения атмосферы являются уникальными, не имеющие аналогов в мире, позволяют

- одновременно делать экологический контроль в радиусе 10 километров (стационарная система, работающая в ИК-области)

- определять локальные участки загрязнения на расстоянии до 2 километров (с помощью мобильной системы, работающей по методу СКР)

- определять распределение и химический состав аэрозолей с помощью голографической системы

Такие комплексы можно автоматизировать, что позволит производить мониторинг в непрерывном режиме и определять одновременно значительно большую группу загрязняющих веществ в атмосфере. Это открывает перспективу существенного улучшения экологического состояния в индустриальных центрах.

Предложенный лазерный комплекс (ЛК) наблюдения за соблюдением лимитов выбросов загрязняющих веществ от организованных источников выбросов от шести предприятий г. Запорожья в сравнении с автоматизированной системой с установкой датчиков на каждый источник выбросов, предлагаемой фирмой Environmental Resources Management Ltd. (ERM Ltd) имеет следующие преимущества:

- Стоимость: ЛЕС - до 12 млн. Гривен; ERMLtd - 6 млн. Евро;

- Количество ингредиентов, концентрация которых может постоянно контролироваться: ЛК - до 100 веществ; ERMLtd- 5 веществ.

В связи с этим, создание такой комплексной системы мониторинга может иметь не только социальный эффект, но и большую коммерческую перспективу для государства.

Производство таких систем позволит сэкономить валютные средства, затрачиваемые на приобретение подобных систем контроля за рубежом.

На основе наших разработок является возможность создать производственную базу (в качестве примера Запорожское предприятие «Искра») для серийного изготовления таких наукоемких комплексов и обеспечить их поставку, как индустриальным центрам Украины, так и за границу.

На проведении Запорожской областной администрацией конкурсе предложений по организации мониторинга экологического состояния атмосферы комплекс лазерного мониторинга предложенный НПИК «Зирка» и нашими харьковскими коллегами был признан победителем среди других 38 участников как украинских так и зарубежных.