СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ
METHOD OF MEASURING CONCENTRATION OF GASES IN ATMOSPHERIC AIR

Изобретение относится к дистанционным оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха.
Существуют пассивные и активные оптические способы дистанционного контроля газового состава атмосферы, первые используют прямое или рассеянное солнечное излучение, вторые - автономные источники излучения. Преимуществами пассивных способов контроля является высокая чувствительность измерений и отсутствие необходимости использовать автономный источник излучения (1).
К недостаткам пассивных способов относятся трудности в определении концентрации искомых газов на ограниченных участках атмосферы, так как эти измерения требуют измерения интенсивности спектра излучения до и после прохождения исследуемого участка атмосферы и определение длины этого участка.
Известен способ, при котором солнечное излучение направляется удаленным зеркальным отражателем на объектив спектрометра, и сравниваются спектры поглощения искомого газа в солнечном излучении, падающем на зеркальный отражатель, и в солнечном излучении, приходящем на спектрометр от удаленного на известное расстояние зеркального отражателя (2). Вместо зеркального отражателя могут использоваться топографические объекты, обладающие высокими отражающими свойствами. Однако эти способы не обладают достаточной оперативностью и чувствительностью из-за необходимости установки отражателя или ограничений обусловленных характеристиками отражения топографических объектов и поэтому имеют ограниченные возможности применения.
Наиболее близким является способ дистанционного измерения газового состава атмосферного воздуха, предложенный в работе (3), в котором измерения производятся путем сравнения спектров рассеянного солнечного излучения, приходящего с горизонтального участка атмосферы, и солнечного излучения, освещающего этот участок атмосферы сверху. В этом способе длина горизонтальной трассы определяется как величина, обратная коэффициенту ослабления солнечного излучения, прошедшего этот участок атмосферы. Поэтому применение этого способа осложняется необходимостью определения коэффициента ослабления солнечного излучения на соответствующем горизонтальном участке атмосферы, то есть необходимостью использования дополнительной измерительной аппаратуры, а сам метод ограничен возможностью применения для измерений только в горизонтальном направлении.
При определении относительной концентрации искомого газа измерение длины участка атмосферы, на котором происходит поглощение солнечного излучения, можно заменить измерением величины спектров поглощения газов, плотность которых распределена пропорционально плотности атмосферы.
Относительная концентрация искомого газа в атмосфере определяется как отношение количества молекул искомого газа к количеству молекул воздуха, в котором он находится. Концентрации основных газов атмосферы: молекул кислорода, азота и углекислого газа, пропорциональны плотности атмосферного воздуха.
Величина спектров поглощения основных атмосферных газов в видимой и ультрафиолетовой области в рассеянном солнечном излучении, в пределах нижней и средней тропосферы, в которой находится основная масса атмосферного воздуха, слабо зависит от температуры и давления. При слабом поглощении величина этих спектров поглощения будет пропорциональна общему количеству молекул атмосферного воздуха, находящегося на пути измеряемого солнечного излучения. Величина спектра поглощения искомого газа в принимаемом рассеянном солнечном излучении при слабом поглощении будет пропорциональна количеству молекул искомого газа, находящегося на пути этого излучения. Следовательно, отношение измеренной величины спектра искомого газа к измеренной величине спектра поглощения одного из основных газов атмосферы будет пропорционально относительной концентрации молекул искомого газа в воздухе.
Способ измерения концентрации газов в атмосферном воздухе, включающий: измерение в принимаемом рассеянном солнечном излучении величины спектров поглощения искомого газа, измерение в принимаемом рассеянном солнечном излучении величин спектров поглощения атмосферных газов, плотность которых в атмосфере распределена пропорционально плотности атмосферы, отличающийся тем, что с целью определения концентрации искомого газа и увеличения оперативности измерений в принимаемом рассеянном солнечном излучении вычисляют отношение величины спектра поглощения, вызванного искомым газом, к величине спектра поглощения, вызванного одним из газов атмосферы, плотность которых распределена пропорционально плотности атмосферы, а полученный результат умножают на известную величину спектра поглощения солнечного излучения соответствующим атмосферным газом на метровом участке атмосферы, находящемся при нормальных условиях.
Литература
1. Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1983, с.142-170.
2. Габриэлян А.Г., Дианов-Клоков В.И. Спектроскопические измерения распределения антропогенной окиси углерода над г.Ереваном ФАО АН СССР, 1982, т.18, №12, с.1312-1317.
3. Шайков М.К. Способ определения газового состава атмосферного воздуха. А.С. №1764014 A1 G01W 1/00 от 27.10.89, Бюл. №35 от 23.09.92.