Контактные и дистанционные методы наблюдений

Существуют два способа контактных измерений. Первый ос­нован на взятии пробы в каком-то месте атмосферы, подачи этой пробы на специальную подготовку или непосредственно в измери­тельный прибор. Возможно и другое исполнение контактного измерения. Изме­рительный прибор переносится в пространстве, контактируя все время с измеряемой средой и производя последовательные измере­ния. Примером может служить зондирование верхних слоев атмосферы с помощью приборов, поднимаемых на аэростатах, самолетах и спутниках.

ПРИМЕРЫ КОНТАКНЫХ МЕТОДОВ:

1. Методы мониторинга за состоянием атмосферы.

1) Контактные физико-химические методы контроля. Методы аналитической химии.

2) Биологические методы контроля. Например, биоиндикация воздушной среды.

3) Биотестирование загрязнений воздушной среды. Для этой цели чаще всего используются грибы. Они способны за короткий срок накапливать значительное количество тяжёлых металлов. Бактерии.

2. Методы мониторинга за состоянием водоёмов.

1) Физико-химические методы контроля. Определение цветности сульфидов железа, кремния аммония, нитратов, нитратов, форм фосфора производится спектрофотометрическим методом. Определение калия и натрия - методом плазменной фотометрии.

Магния, кальция, гидрокарбонатов, сульфатов и хлоридов - титрометрическим методом. СПАВ и фенолов экстракционно - фотометричесим методом или жидкостной хромотографией. Кислорода - оксиметричесим методом. РН опредляется колориметрически методом. Пестициды методом газовой хромотографии.

2) Биологические методы контроля. Биоиндикация и биотестирование.

Биоиндикация водных объектов.

Для анализа качества вод методами биоиндикации используются все группы организмов, обитающие в водоёмах: планктонные и бентосные беспозвоночные, простейшие водоросли, бактерии, макрофиты и рыба. В тех случаях, когда индикация должна проводиться быстро используются простейшие.

Биотестирование водных объектов. Одноклеточные водоросли в качестве тест-объекта; Инфузории; Низшие ракообразные - дафнии. Моллюски и рыбы.

Однако существует и другой способ измерений. Он не требует ни взятия пробы, ни переноса измерительного прибора в место, где производится измерение. Измерительный прибор находится в покое или перемещается в пространстве удаленном от пространства изме­рений иногда большими расстояниями. Такие измерения называют­сядистанционными. Например, все астрономические наблюдения за далекими светилами всегда являются дистанционными. Хорошо известно применение ЛИДАРов (LI-DAR - light detection and ranging), т.е. лазерных флуоресцентных приборов, с помощью которых удается определить размер и форму области атмосферного загрязнения, тип, концентрацию и скорость распространения 3В. Дистанционные измерения могут производиться впассивномилиактивном вариантах. В том случае, если источник света имеет искусственное происхождение (как в случае ЛИДАРов), то говорят об активном дистанционном измерении. При использовании естест­венного источника света (солнце, луна, звезды) производится пас­сивное измерение. В случае активных дистанционных измерений имеются довольно широкие возможности, реализуемые при изменении параметров источника света (интенсивность излучения, часто­та), что помогает решать большее число задач, чем в пассивном ва­рианте. Однако длина трассы измерения в активном варианте на­много меньше, поскольку интенсивность света от искусственного источника ослабляется с расстоянием экспоненциально. Именно по­этому активные дистанционные методы перспективны для измере­ния достаточно высоких концентраций на не очень длинных трассах (до нескольких километров), что представляет несомненный интерес в решении некоторых задач импактного мониторинга (например, наблюдение за 3В в атмосферном воздухе городов, над предпри­ятиями).

В свою очередь, пассивные дистанционные измерения могут играть важную роль в глобальном и региональном мониторинге. Та­кие дистанционные измерения совершенно незаменимы назенит­ных трассах (определение О₃ с помощью озонометров, определение N₂O). Возможны и измерения внадир (вертикально вниз с летящих спутников, самолетов и аэростатов). Ценную информацию о составе атмосферы можно получить прилимбовых измерениях, когда ат­мосфера просматривается в лучах заходящего солнца на трассе, на­правленной к линии горизонта.

Во всех названных дистанционных активных и пассивных ме­тодах могут быть использованы явленияпоглощения света, его рассеяния а также явление флуоресценции, как обычной, так и ре­зонансной.

озонометр М-83. Этот полевой прибор измеряет концентрацию озона по величине прошедшего через озоновый слой солнечного из­лучения в двух полосах в УФ-диапазоне, причем выделение изме­ряемых спектральных участков производится двумя фильтрами с центрами полос 299.0 и 324.7 нм.

Дистанционный (или аэрокосмический мониторинг) представляет систему регистрации поля отражения солнечного света, собственного излучения Земли и отраженного сигнала активной локации на самолетах и спутниках для наблюдения за состоянием окружающей среды. Преимуществом аэрокосмических методов является недеструктивный характер дистанционной регистрации.

Космическое зондирование.

Космические снимки Земли получают с высоты более ста километров. По высоте можно выделить три группы наиболее часто используемых орбит:

а) 100-500 км (это орбиты пилотируемых кораблей, орбитальных станций, и разведспутников, имеющих наиболее характерные высоты 200-400 км); для детальной съемки

б) 500-2000 км (орбиты ресурсных и метеорологических спутников, ресурсные пониже (600-900 км), метеорологические - повыше (900-1400 км)); для менее детальной, но более оперативной и территориально более захватной съемки

в) 36000-40000 км (орбиты геостационарных спутников) для постоянного наблюдения.

Геометрическим разрешением снимка называется физическая площадь прямоугольного (чаще квадратного) участка местности, который на снимке отображается самой мельчайшей точкой (пикселом). Величина геометрического разрешения выражается в длине сторон этого прямоугольника (чаще квадрата).

Космические снимки позволяют оперативно (в течении 1-2 мес., с момента проведения съемки) создавать цифровые карты на большие участки территории, специальные картографические материалы. Такие проблемы, как выбор мест для проверок (“рекогносцировки”), могут быть решены с применением космической съемки.

Стоимость одного снимка, полученного с зарубежного космического аппарата редко бывает менее $2000.

Чем более комплексно предполагается использовать снимок, тем более выгодным становиться его приобретение.

Физические основы дистанционного зондирования.

Методы дистанционного зондирования Земли из космоса можно подразделить на два больших класса: пассивные и активные.

Методы пассивного дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса основаны на регистрации отраженного солнечного излучения, просуммированного с собственным излучением атмосферы , облаков и земного покрова и ослабленного в атмосфере.

В настоящее время надежно функционирующие на орбите космические многоспектральные системы с ИК каналами позволяют на основе априорной информации о тепловых свойствах почв, горных пород, руд, минералов и материалов успешно дешифрировать космоснимки, обнаруживать различные аномалии и строить температурные карты земной поверхности и океана, состояния растительного покрова и т.д.

Кроме того, ИК съемка успешно применяется для обнаружения и оконтуривания подземных пожаров, постоянного геотемпературного поля, подземных теплотрасс.

Весьма специфично и эффективно использование многозональной съемки для изучения водных объектов. Для них она дает дополнительные возможности, не реализуемые другими методами. Подводные объекты дешифрируются на глубинах от нескольких метров до десятков метров. Особое достоинство заключается в использовании серии зональных изображений как разноглубинных срезов толщи воды и поверхности дна в связи со способностью лучей разных спектральных диапазонов проникать на неодинаковую глубину - наибольшую (до 20м) для лучей голубого диапазона и наименьшую - для лучей ближней ИК области спектра. Эти свойства открывают возможности исследования распространения взвешенного материала в воде - естественного загрязнения водоемов твердым стоком рек и т.д. Это позволяет составлять карты подводных ландшафтов с их комплексной характеристикой для мелководных акваторий, но именно задачи освоения и мониторинга шельфа приобрели теперь первостепенное значение.

Многозональные космоснимки весьма информативны для определения снежного покрова. Свежевыпавший снег отражает около 95% солнечной радиации в области длин волн 0.3 - 0.9 мкм. В видимой области спектра снег - белое тело, а в ИК области (длина волны 10 мкм) - абсолютно черное тело с температурой ниже 0 град. С.

Активное ДЗЗ проводится в видимом диапазоне с помощью лидаров (532нм), но, в основном, в радиодиапазоне.

При зондировании из космоса используется сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон волн - от миллиметров до нескольких сантиметров. В этом диапазоне атмосфера Земли обладает высокой прозрачностью, поэтому радиометры и радиолокаторы позволяют практически всегда осуществлять зондирование земных покровов, причем, независимо от наличия облаков.

Проникающая способность радиоволн позволяет получить особую информацию о земных покровах, которую не удается извлечь из наблюдений в оптическом диапазоне. Так, в известной степени радиоволны позволяют "преодолеть" экранирующий эффект растительных покровов и получить информацию непосредственно о свойствах земных грунтов.

С другой стороны, с помощью радиоволн осуществляется глубинное зондирование грунта, снега, льда, что позволяет выносить более объективные суждения о физическом состоянии земных покровов.

Комплексное изучение природных ресурсов

Наибольший технико-экономический эффект от использования данных космического зондирования Земли может быть получен при комплексном изучении и картографировании природных ресурсов. Комплексное изучение и картографирование на основе космической информации подразумевает получение новых сведений о природных ресурсах по основным их видам и территориальным сочетаниям путем интерпретации материалов космической съемки и их совместного анализа с данными традиционных исследований.

Сканерные съемки Земли и прием цифровых космоизображений с современных спутников, а также широкое развитие геоинформационных систем позволяет составлять цифровые электронные тематические карты. Это качественно новая ступень в картографии, открывающая широкие возможности для комплексного анализа и применения различными потребителями.
Поиск полезных ископаемых.

Применение космических методов позволяет более оперативно и эффективно вести региональные геолого-съемочные работы. При этом затраты на геологическую съемку 1 км2 территории снижаются на 15-20%.

Внедрение космических исследований в комплекс нефтегазопоисковых работ, обеспечивает информацией о разрывной и складчатой тектонике и глубинной структуре земной коры. Аэрокосмические методы играют важную роль и при доразведке месторождений и при их эксплуатации.

Экологические исследования

Функционирующие в настоящее время космические системы природоведческого, метеорологического и океанологического назначения могут эффективно использоваться в интересах экологических исследований глобального, регионального и локального характера.

Например, с борта орбитальных станций зафиксирована динамика усыхания Аральского моря.

Такие снимки позволяют следить за распространением пятна нефти и организовать эффективные работы по ликвидации последствий аварий.

По космоснимкам не только обнаруживаются лесные пожары, но и осуществляется прогноз опасности их возникновения, оценка ущерба от лесных пожаров.