Способ определения возможности применения спектрорадиометра для экологического мониторинга атмосферы
METHOD FOR DETERMINING THE OPPORTUNITY OF APPLICATION OF A SPECTRORADIOMETER FOR ENVIRONMENTAL MONITORING OF THE ATMOSPHERE

Изобретение относится к области экологического мониторинга обстановки после аварийного выброса в атмосферу токсичного химиката.
Авария на предприятии химической промышленности может обусловить выброс токсичного химиката. При соответствующих условиях образуется зараженное облако, которое может переместиться на значительное расстояние, вызывая поражения людей, попадающих на траекторию его движения.
В настоящее время оперативное определение появления заражения воздуха и отслеживание его перемещения возможно с помощью спектрорадиометров, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн [1]. В случае аварий применение таких приборов для мониторинга выбросов токсичных веществ может обеспечить принятие неотложных мер по защите персонала и населения.
На практике аварийные выбросы сопровождаются, как правило, взрывами. При взрывах происходит бризантное дробление окружающих объектов. Таким образом, даже если токсичный химикат в условиях свободной атмосферы является газообразным веществом, в результате аварии с высокой вероятностью сформируется газо-аэрозольное облако.
Однако аэрозоль является одним из мешающих факторов распознавания наличия в воздухе примеси токсичного химиката. В работе [2] проведен анализ маскирующей роли аэрозольной компоненты облака при распознавании газообразной токсичной примеси с помощью инфракрасного спектрорадиометра. Показано, что отсутствие срабатывания спектрбрадиометра, нацеленного на облако выброса еще не означает, что в воздухе отсутствуют токсичные химикаты, опасные для человека. Для окончательного вывода необходимо решить задачу оценки концентрации в облаке мешающего аэрозоля, а затем определить возможность срабатывания спектрорадиометра.
В настоящее время определение концентрации в воздухе аэрозоля возможно несколькими способами. Наиболее простой и распространенный способ заключается в использовании ловушек, использующих методы фильтрации, импакции и аспирации [3, 4]. Однако такой подход не является целесообразным вследствие его низкой оперативности. Действительно, значения концентрации могут быть получены только после прохождения облака, съема ловушек и обработки полученных данных.
Оценка параметров аэрозольной компоненты облака может быть осуществлена практически в режиме реального времени с помощью лидарной системы. Использование многочастотного зондирования позволяет оценить микрофизические характеристики аэрозоля и вычислить его концентрацию [5, 6]. Однако, несмотря на привлекательность такого способа, он обладает определенными недостатками. В первую очередь это относится к тому, что в настоящее время серийно не выпускают подобных устройств, а разработка единичного образца потребует значительных затрат. Кроме того, затруднительно обеспечить непрерывную работу лидара в течение длительного времени, так как это потребует достаточно частого обслуживания, предполагающего наличие специального высококвалифицированного персонала.
В работе [3] указывается, что существовали попытки создания способов оценки концентрации аэрозоля в дыме, выходящем из трубы, с помощью фотоэлектрического фотометра. Такой подход может быть использован как прототип предлагаемого технического решения.
Пылевая компонента газо-аэрозольного облака оказывает маскирующее воздействие при регистрации спектров поглощения газовой компоненты за счет рассеяния и поглощения излучения в инфракрасной области спектра. Однако следует отметить, что рассеяние и поглощение излучения будет происходить и в видимой области спектра. Это обстоятельство можно использовать для оценки концентрации аэрозоля в облаке выброса.
Реализация этой возможности заключается в оценке концентрации аэрозоля на основе сравнения значений контраста фрагментов изображения некоторого объекта до аварии и изображения, полученного в момент, когда облако выброса расположено между фиксируемым объектов и регистрирующей аппаратурой.
В качестве регистрирующей аппаратуры можно использовать серийно выпускаемый образец цифровой фото- или видеокамеры. Подключение регистрирующей аппаратуры к компьютеру позволит периодически получать и обрабатывать изображение тестового объекта. Газо-аэрозольное облако, попадая в поле зрения видеокамеры, будет снижать контраст рассматриваемого изображения, что можно определить на основе сравнения с предыдущим полученным изображением. Расположение аппаратуры и тестового объекта показано на схеме, приведенной на фигуре 1, где 1 - тестовый видеообъект, 2 - аварийный объект, 3 - газо-аэрозольное облако, содержащее токсичный химикат, 4 - видеокамера, 5 - спектрорадиометр.
Если после этого решить обратную задачу распространения света в рассеивающей среде, то будет получено значение концентрации аэрозоля в облаке, что позволит сделать заключение о возможности срабатывания спектрорадиометра при наличии токсичного вещества в виде газовой составляющей облака выброса.
Предлагаемый способ лишен недостатков, которыми обладают другие способы. Получение и обработка цифровых изображений в настоящее время может осуществляться практически в режиме реального времени, что обеспечивает необходимую оперативность при организации защиты людей после аварийного выброса токсичных веществ. Требуемая для практической реализации аппаратура является широко распространенной и имеет сравнительно невысокую стоимость.
Определенные трудности вызывает решение обратной задачи по распространению излучения в рассеивающей среде. Однако вполне можно подобрать методы решения, не требующие больших вычислительных ресурсов и дающие достаточно высокую точность результата [7].
об
фн
Если яркость объекта обозначить через В, а яркость фона через В, то контраст между ними выразится формулой [3]:
В более общем случае, когда соотношение яркостей отдельных частей изображения может быть произвольным, выражение для определения контраста имеет вид:
об
Наличие аэрозоля между объектом и наблюдателем приводит к ослаблению световых лучей, идущих от предмета и фона, и к рассеянию аэрозолем света, поступающего со всех других направлений. Яркость предмета В(Н), измеренную сквозь аэрозоль, можно оценить с помощью соотношения:
где σ - сечение рассеяния излучения одной частицей;
n - число частиц в единице объема;
Н - толщина слоя аэрозоля.
Яркость фона в этом случае равна:
Внешний свет, рассеянный аэрозолем, создает свечение, яркость которого G накладывается на яркость объекта и фона. В этих условиях контраст равен [3]:
или
В рамках рассматриваемой задачи можно считать, что светорассеивающие частицы равномерно заполняют все пространство и число частиц в единице объема достаточно велико. В этом случае интенсивности являются (приближенно) непрерывными функциями толщины светорассеивающего слоя, и можно применять методы дифференциального исчисления.
Определим параметры, описывающий такой слой. Для этого вначале введем коэффициенты, показывающие, во сколько реальное сечение рассеяния частицы отличается от ее геометрического сечения:
2
где  - интегральное сечение рассеяния частицей электромагнитного излучения в диапазоне углов от 0 до π/2, м;
2
- интегральное сечение рассеяния частицей электромагнитного излучения в диапазоне углов от π/2 до и, м;
d - диаметр частицы, м.
В общем случае частицы будут не только рассеивать падающее излучения, но также и поглощать его. Отличие сечения поглощения энергии электромагнитного излучения от площади поперечного сечения частицы будет равно:
(
a
)
2
где Q - интегральное сечение поглощения частицей электромагнитного излучения, м.
(s)
(s)
(
a
)
Интегральные сечения Q (0, π/2), Q(π/2, π) и Q должны рассчитываться на основе положений теории Ми [8, 9].
ν
n
р
Знание факторов K, K и K позволяет определить интегральные коэффициенты рассеяния излучения вперед t, его отражения r и поглощения μ:
N
-3
где C - счетная концентрация аэрозольных частиц, м.
Коэффициенты r, t и μ характеризуют отражение и рассеяние вперед падающего излучения слоем единичной толщины. Из представленных выше выражений следует, что r, t и μ зависят от разности показателей преломления диспергированного вещества и окружающей среды, величины рассеивающих частичек и показателя поглощения диспергированного вещества.
Счетную концентрацию легко определить на основе знания массовой концентрации монодисперсного аэрозоля:
3
где С - массовая концентрация аэрозоля в воздухе, кг/м;
3
ρ - плотность вещества аэрозоля, кг/м.
Следовательно, конечные выражения для коэффициентов r, t и μ будут иметь вид:
Очевидно, что суммарное ослабление прямого излучения будет определяться суммой всех коэффициентов α=t+r+μ. При этом α представляет собой nσ из соотношений (3) и (4).
Далее рассмотрим процесс переноса излучения согласно работе [10].
Электромагнитное излучение в рассеивающем слое можно разложить на два потока: один распространяется по направлению падающего излучения, другой - навстречу ему. Первый поток состоит из нерассеянного света и света, испытавшего одно, два или более рассеяний; второй создается только рассеянным светом. Представим рассеянное излучение в виде суммы потоков однократно и более раз рассеянного света. Обозначим световые потоки k-й кратности, рассеянные по направлению и навстречу падающему излучению, соответственно через  и , где k=1, 2, …
(1)
(1)
(1)
(1)
Рассмотрим прохождение света через бесконечно тонкий слой dz, находящийся на глубине z. Если интенсивность света на глубине z равна , то при прохождении через слой dz часть его рассеется, часть поглотится, а некоторая часть пройдет без всякого рассеяния. Предположим, что рассеяние вперед и назад (отражение), а также поглощение слоем dz можно считать пропорциональным толщине dz. Тогда доля света, отраженного слоем dz, равна Irdz, рассеянного вперед - Irdz, поглощенного - Iμdz, а прошедшего без всякого рассеяния - I[(r+t+μ)].
Изменение интенсивности прямого света в слое dz, обусловленное рассеянием и поглощением, имеет вид:
где α=r+1+μ.
Интенсивность однократно рассеянного вперед света уменьшается в результате рассеяния и поглощения и увеличивается за счет рассеяния прямого света в слое dz:
Изменение интенсивности рассеянного света k-й кратности происходит по тем же причинам, что и однократного, но  дополнительно пополняется в результате отражения рассеянного света (k-1)-й кратности, распространяющегося вверх:
Подобным образом получим систему уравнений для света, рассеянного вверх, навстречу падающему излучению:
Граничные условия заключаются в следующих положениях:
0
- падающее излучение на передней границе рассеивающего слоя имеет начальную интенсивность I:
- рассеянное вперед произвольное количество раз излучение на передней границе рассеивающего слоя полностью отсутствует:
- рассеянное назад произвольное количество раз излучение на задней границе рассеивающего слоя полностью отсутствует:
где Н - толщина всего светорассеивающего слоя.
Последовательное решение приведенных уравнений необходимо вести вплоть до учета N-кратного рассеяния света, пока не будет выполнено условие:
Будем считать, что в качестве фонового объекта используется квадрат черного цвета. Поскольку яркость такого объекта равна 0, то выражение (7) принимает вид:
Принимая, что цветопередача видеоаппаратуры близка к идеальной выражение (26) можно переписать следующим образом:
Приведем пример использования предлагаемого способа.
3
ν
n
р
В таблице приведены результаты расчетов величины контраста при различных концентрациях аэрозоля. Плотность вещества аэрозоля принималась равной 1 г/см. Ширина факела выброса принималась равной 50 м. Также при проведении расчетов предполагалось, что коэффициент преломления равен 1,33. Факторы эффективности рассеяния и поглощения электромагнитной энергии имеют значения: K=2,1; K=0,1 и K=0.
Данные таблицы можно аппроксимировать следующей аналитической зависимостью:
aэ
Преобразование приведенного выражение относительно С дает следующий результат:
В работе [2] предложена оценочная формула для определения минимальной концентрации газообразного токсичного химиката, позволяющей распознать наличие опасности при заданном значении концентрации аэрозоля в облаке:
ТХ
2
где С - минимальная интегральная концентрация газообразного соединения, мг/м;
μ
m - молярная масса газообразного соединения, r;
c
p
p
2
σ(λ) - сечение поглощения на резонансной частоте λ для одной молекулы, см;
A
N - число Авогадро;
а
э
2
С - интегральная концентрация аэрозоля на трассе наблюдения, г/м;
d - медианное значение диаметра аэрозольных частиц, мкм;
3
ρ - плотность вещества аэрозоля, г/см;
η - отношение сигнал/шум для спектрорадиометра;
K - фактор эффективности рассеяния излучения аэрозольной частицей.
а
э
ТХ
а
э
Из формулы (30) следует, что возрастание концентрации аэрозоля С требует наличия более высокой концентрации газообразной примеси С. При этом максимальное значение концентрации аэрозоля С, при котором может быть обнаружено наличие газовой примеси определяется из уравнения, получаемого из (30):
Решение имеет вид:
При концентрации аэрозоля, близкой к критической , требуется, чтобы концентрация газообразного токсичного химиката составляла:
Формула (30) получена при условии, что отношение интенсивности излучения на резонансной частоте и интенсивность фонового излучения отличаются в 2 раза. Если интенсивности будут отличаться в большее количество раз, то критическая концентрация аэрозоля будет больше. Следовательно, формула (30) позволяет оценить снизу максимальную концентрацию, при которой существует вероятность, что спектрорадиометр не обнаружит в воздухе токсичный химикат.
Подставляя выражение (32) в (29) и проводя тождественные преобразования, получаем формулу для определения критического значения контраста изображения черного квадрата:
кр
Если значение контраста, полученное в ходе конкретных измерений, будет меньше критической величины L, то спектрорадиометр однозначно невозможно применять, даже если в облаке выброса в высокой концентрации содержится газообразный токсичный химикат.
Таким образом, с учетом изложенных положений предлагается способ определения возможности применения спектрорадиометра для экологического мониторинга атмосферы, заключающийся в определении концентрации мешающего аэрозоля и сравнении имеющегося значения с критической концентрацией аэрозоля, при которой невозможно обнаружение и идентификация газообразных примесей, отличающийся тем, что предварительно выбирают трассу зондирования, на одном конце которой находится видеоаппаратура регистрации изображений и спектрорадиометр, а на другом конце - тестовый объект; тестовый объект выбирают черного цвета и располагают на фоне открытого неба; выбор трассы осуществляют в предположении, что облако аварийного выброса попадет в поле зрения видеоаппаратуры и спектрорадиометра, расположенных вблизи друг от друга; в видимом диапазоне длин волн осуществляют периодическую фиксацию изображения тестового объекта и убеждаются, что его контраст на фоне неба близок к 1; внеочередная фиксация изображения осуществляется после аварийного выброса, когда облако выброса попадает в поле зрения видеоаппаратуры и спектрорадиометра; решают задачу распространения света в газо-аэрозольной среде и задачу идентификации газовой примеси на основе регистрации инфракрасного спектра и определяют критическую величину контраста в видимом диапазоне тестового объекта, при которой невозможно распознавание инфракрасного спектра газообразного вещества; сравнивают величину контраста тестового объекта при прохождении газоаэрозольного облака и критическую величину контраста и делают вывод о возможности срабатывания спектрорадиометра при наличии в воздухе токсичного химиката.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Морозов А.Н., Светличный С.И. Основы фурье-спектрорадиометрии [Текст]. - 2-е изд., испр. и доп. - М: Наука, 2014. - 456 с.
2. Садовников Р.Н., Бойко А.Ю., Шлыгин П.Е. Оценка влияния особенностей состава газо-аэрозольного облака на спектр фонового излучения открытой атмосферы // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Естественные науки» [Текст]. - 2013. - №4. - С. 69-78.
3. Грин X., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. Пер. с англ. Н.А. Фукса [Текст]. - Ленинград: Изд. «Химия», 1972. - 428 с.
4. Толчинский А.Д., Сигаев В.И., Варфоломеев А.Н. Современные тенденции развития технических средств пробоотбора и анализа биоаэрозолей // Экологические системы и приборы [Текст]. - 2008. - №11. - С. 30-48.
5. Зуев В.Е., Зуев В.В. Современные проблемы атмосферной оптики. Т. 8. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. - Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - 232 с.
6. Боровлев А.Э., Кунгурцев С.А. Лидарный аппаратно-программный комплекс как элемент геоинформационной системы г. Белгорода // Экологические приборы и системы. - 2008. - №11. - С. 56-59.
7. Метод Монте-Карло в атмосферой оптике. Под общ. Ред. Г.И. Марчука [Текст]. - Новосибирск: «Наука», 1976. - 284 с.
8. Борн М., Вольф Э. Основы оптики [Текст] / Пер. с англ. - М.: Наука, 1973. - 720 с.
9. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами [Текст] / Пер. с англ. - М.: Изд-во иностр.лит., 1961. - 315 с.
10. Чекалинская Ю.И. О кратности рассеяния света [Текст] // Известия АН СССР. - 1957. - Т. XXI. - №П. - С. 1494-1499.