Дистанційний екологічний моніторинг (стр. 17 из 19)

Рис. 3.18. Принцип дії лідара на основі реєстрації диференційного поглинання

Мінімальна концентрація газу чи забруднювача, що вимірюється методом реєстрації диференційного поглинання, визначається за виразом:

(3.15)

де

- переріз диференційного поглинання, а величина описується рівнянням:

(3.16)

Для практичних обчислень залежно від того, в яких одиницях вимірюється концентрація

використовуються наступні вирази:

(3.17)

(3.18)

(3.19)

В останньому виразі

називають коефіцієнтом диференційного поглинання

який можна пов’язати з (см²) виразом:

(3.20)

де

см^-3*атм^-1 – густина молекул в атмосфері на рівні моря при температурі 0 ⁰С, або:

(3.21)

Приклад 3.6

Визначити мінімальну концентрацію молекул

, якщо а м. Коефіцієнт диференційного поглинання становить см^-1*атм^-1.

Розв’язок

Підставимо числові дані у вираз (3.19):

Контрольне завдання № 3.4

Визначити коефіцієнт диференційного поглинання

(см^-1*атм^-1) озоном випромінювання з довжиною хвилі 0,29 мкм, якщо км і млн.^-1*атм^-1.

Відповідь: 12,5 см^-1*атм^-1.

3.9.3 Допплерівський лідар

Суть ефекту Допплера полягає в тому, що при опромінюванні об’єкта, який рухається із швидкістю

, світлом певної довжини хвилі відбувається розсіювання світла, причому частота (довжина хвилі) розсіяного світла залежить від швидкості руху об’єкта. Допплерівський зсув частоти світла залежить від кута розсіювання світла об’єктом, швидкості руху об’єкта та від кута між напрямком швидкості й напрямком поширення світла.

Допплерівський зсув

частоти світла визначають за виразом:

(3.22)

Приклад 3.7

Визначити швидкість руху частинок аерозолю під впливом вітру таких параметрів допплерівського розсіювання:

Гц, Гц, ,

Розв’язок

Використовуючи формулу (3.22), отримуємо:

Контрольне завдання № 3.5

Визначити величину допплерівського зсуву, що реєструється при опромінюванні краплин дощу, для таких параметрів:

нм, , , м*с^-1.

Відповідь: 9,4*10⁶ Гц.

3.9.4 Лідар на основі реєстрації флуоресценції

Багато компонентів атмосфери демонструють здатність флуоресціювати. Методи флуоресцентного лазерного зондування надто чутливі через малі тиски атмосфери, при яких відсутні зіткнення молекул, що гасять флуоресценцію.

3.9.5 Лідар на основі реєстрації комбінаційного розсіювання

Якщо розсіювання світла речовиною супроводжується помітною зміною частоти світла, що розсіюється, то його називають комбінаційним (або романівським). Цей тип розсіювання оптичного випромінювання містить втрату або одержання кванта коливальної енергії молекулою. Йдеться про непружне світлове розсіювання, коли фотон, що падає, має енергію значно більшу, ніж енергія, яку коливальний квант втрачає за збудження молекули; залишок енергії розсіюється як фотон зі зменшеною частотою. Перевагою методу є те, що спектральні комбінаційні зсуви специфічні для кожної молекули; інтенсивність кожної лінії пропорційна концентрації кожного компонента; вузькі спектральні лінії та комбінаційні зсуви обмежують вплив прямого та розсіяного випромінювання; метод характеризується просторовим і часовим розподіленням. Недолік: малий поперечник розсіювання, що потребує використання потужних лазерів та складних колімаційних систем.

3.9.6 Застосування дистанційного зондування

Реєстрація

випромінювання дає можливість за допомогою оцінки рівня його послаблення визначати вологість ґрунту, наявність або кількість снігу на поверхні. Недолік: обмежене просторове розділення та можливість вимірювань лише на невеликих висотах польоту авіаносія.

Фотографічні та відеографічні системи застосовують для визначення типів структури ґрунтів, аналізу стану рослинних покривів, спостереження за дренажними системами, оцінки характеру морських поверхонь. Завдяки використанню фотографічних систем можна отримати інформацію щодо просторового розподілу седиментів, характеру ерозійних процесів, викиду забруднень та стічних вод з труб.

Багатоспектральні сканери використовують для аналізу земної поверхні, рослинних покривів, картографії, визначення вологості ґрунту, оцінок рослинної біомаси, снігових покривів, непрохідних просторів, кольору океану.

Теплові сенсори знаходять застосування при визначенні рівня теплового забруднення водойм, оцінок розмірів, температури рослинних покривів та впливу на них зовнішніх факторів, вологості ґрунту, теплових аномалій, температури та стану поверхні водойм, морських течій, льодових та снігових масивів, вулканічної діяльності, дренажних структур, термічних індустріальних викидів. Широкого застосування набула техніка дистанційного зондування теплового ІЧ випромінювання для аналізу ландшафтних екологічних процесів – вимірювання випаровування, еватранспірації та вологості ґрунту, вивчення характеристик теплового балансу та теплових потоків, оцінки теплообміну між лісовими масивами.

Надвисокочастотні (НВЧ) локатори дають можливість вимірювати характеристики ґрунтів (нерівність, структуру, вологість), рослинних покривів та опадів, оцінювати водні ресурси, стан морської поверхні, прогнозувати наближення цунамі, визначати типи та розміри льодових масивів, аналізувати характер упаковки снігу. Прикладами застосування РЛС техніки є дистанційне спостереження за блискавкою (рис. 3.19) та дистанційний контроль за повенями (рис. 3.20).

Лазерні системи використовують для дистанційного зондування атмосфери, зокрема визначення висоти хмар, дослідження структури й властивостей хмар, вимірювання параметрів вітру, вимірювання вологості й температури повітря, оцінки опадів. Лазерні системи, встановлені на борту авіаносія чи супутника, здатні проводити топографічні вимірювання на земній поверхні, оцінювати рослинні покриви, водяні потоки, ерозійні процеси.