Способ определения концентрации углекислого газа в атмосфере

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред. Способ включает дистанционные измерения спектральных характеристик отраженного от подстилающей поверхности светового потока, дважды прошедшего атмосферу, в полосе поглощения кислорода (O₂) 1,264-1,275 мкм и в полосе поглощения углекислого газа (СО₂) 1,600-1,611 мкм, расчет энергии затухания светового потока в выбранных полосах ΔW(O₂) и ΔW(CO₂) относительно энергии эталонного (по Планку) светового потока в тех же полосах, определение концентрации примесного газа (CO₂) из соотношения: где O₂[%] - концентрация кислорода в атмосфере, равная 21%. Изобретение позволяет повысить оперативность, глобальность, точность и статистическую устойчивость конечного результата. 6 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов.

Промышленный прогресс неизбежно связан с увеличением выбросов так называемых «парниковых» газов в атмосферу, являющихся одной из причин глобального изменения климата планеты. Контроль состояния загрязнения атмосферы является составной частью обязанностей государств, подписавших Киотский протокол по экологическому мониторингу природных сред.

Известен способ оценки состояния атмосферы путем расчета индекса ее состояния [см., например, «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе веществ, содержащихся в выбросах предприятий», Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, СССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987 г., стр.4-5, а также «Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России», под редакцией Э.Ю.Безугловой, ГГО им. А.И.Воейкова, Санкт-Петербург, 1994-1996 гг. - аналог].

Обычно индекс состояния рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в загрязнение атмосферы:

где m_i [мг/м³] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере, определяемая по локальным измерениям на местности;

CH_i - предельно допустимая санитарная норма концентрации i-го вещества в атмосферном воздухе согласно ГОСТ;

j - показатель степени изоэффективности вредного вещества, равный 0,85, 1, 1,3, 1,5 для веществ соответственно IV, III, II и I классов опасности.

Недостатками известных аналогов являются:

- статистическая неустойчивость метода единичных локальных измерений на местности в контрольных точках как таковых;

- неопределенность выбора самих контрольных точек забора проб и зависимость результата измерений от случайных завихрений атмосферы в точках забора.

Известен «Способ оценки загрязнения атмосферы», патент RU №2117286, 1998 г. - аналог, в котором оценку загрязнения атмосферы осуществляют путем обработки спектрозонального изображения подстилающей поверхности контролируемого региона.

Способ-аналог включает дистанционное получение спектрозонального снимка региона, включающего контрольные промышленные площадки, в виде цифровых значений спектральной яркости I_{(x, y)} матриц изображений G, R видимого диапазона, размерностью [m x n] элементов каждая, с линейным разрешением каждого элемента больше фрактального участка подстилающей поверхности, поэлементную логическую сортировку пикселей в обеих матрицах в соответствии с алгоритмом, если R≥G, то R, если R<G, то R=R_max-|k|G, где k - коэффициент корреляции хроматических коэффициентов r, g; получают результирующую матрицу тех же размеров, вычисляют числовые характеристики результирующей матрицы - математическое ожидание, дисперсию, огибающую пространственного спектра, автокорреляционную функцию, рассчитывают гистограмму распределения пикселей по яркости, осуществляют привязку полученного относительного закона распределения пикселей к абсолютным значениям индекса состояния атмосферы региона по его значениям и площади контрольных площадок.

К недостаткам аналога следует отнести:

- необходимость наличия синхронных измерений индекса состояния атмосферы контрольных площадок и дистанционного снимка региона;

- неадекватность алгоритма логической сортировки пикселей результирующей матрицы измеряемому физическому процессу и, как следствие, несоответствие получаемых гистограмм реальному индексу состояния атмосферы.

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым является способ оценки концентрации загрязняющих веществ на основе лидарного зондирования (см., например, «Мониторинг источников загрязнений» в кн. Р.Межерис «Лазерное дистанционное зондирование», перевод с английского, М., изд. «Мир», 1987 г., стр.455-460).

В способе ближайшего аналога:

- зондируют участок атмосферы импульсами лидара на контролируемой трассе;

- принимают по первому каналу сигнал основного излучения за счет упругого обратного рассеяния;

- принимают по второму каналу смещенный сигнал неупругого рассеяния от молекул основного газа атмосферы N₂ или O₂;

- принимают по третьему каналу смещенный сигнал неупругого рассеяния от молекул загрязняющего вещества NO₂ или CO₂;

- нормируют сигнал комбинационного рассеяния от молекул загрязняющего вещества по обратному каналу комбинационного рассеяния от молекул основного газа;

- по известной концентрации молекул основного газа в атмосфере и по пронормированному отношению сигналов обратного рассеяния получают концентрацию загрязняющего вещества.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- локальность получаемых результатов оценок, привязанных только к трассе распространения узкого луча зондирования;

- необходимость генерации энергии для активного зондирования атмосферы в выбранном участке светового диапазона.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в оперативном, достоверном измерении концентрации углекислого газа в атмосфере в большом пространственном объеме по трассе полета космического носителя путем сравнения затухания светового потока, дважды прошедшего атмосферу, в полосе поглощения основного газа (O₂) и затухания светового потока в полосе поглощения измеряемого газа (CO₂).

Технический результат достигается тем, что путем лабораторных наземных измерений выбирают равное количество смежных спектральных полос поглощения кислорода O₂ и углекислого газа CO₂ в ближнем инфракрасном диапазоне, осуществляют с космического носителя спектрометрические измерения на выбранных спектральных полосах светового потока, отраженного от подстилающей поверхности и дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают энергию регистрируемых сигналов в полосах кислорода и углекислого газа , вычисляют суммарные потери на затухание в полосах O₂ и CO₂ как разницу между энергией эталонного по Планку солнечного спектра в тех же полосах W_этал.(O₂) и W_этал.(CO₂) и энергией зарегистрированных сигналов:

ΔW(O₂)=W_этал.(O₂)-W(O₂); ΔW(CO₂)=W_этал.(CO₂)-W(CO₂),

а концентрацию углекислого газа в атмосфере по трассе полета носителя в каждом кадре спектрометрических измерений рассчитывают из соотношения:

,

где O₂[%] - концентрация кислорода в атмосфере, равная 21%;

I_i(O₂), I_i(CO₂) - амплитуды регистрируемых сигналов каждого из газов;

λ_i - средняя длина волны спектральной линии;

n - количество спектральных линий в каждой полосе.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - метод спектрометрических измерений светового потока, дважды прошедшего атмосферу;

фиг.2 - спектральная характеристика эталонного (по Планку) светового потока;

фиг.3 - коэффициент спектральной яркости подстилающей поверхности в ближнем ИК-диапазоне;

фиг.4 - полоса поглощения атмосферного кислорода в ближнем ИК-диапазоне;

фиг.5 - полоса поглощения углекислого газа в ближнем ИК-диапазоне;

фиг.6 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность способа заключается в следующем.

Из опытов Кирхгофа известно, что непрерывный солнечный спектр, проходя через газовую среду, становится линейчатым, в нем появляются темные линии или полосы поглощения. Одноатомные газы имеют линейчатый спектр поглощения, совпадающий по положению спектральных линий со спектром испускания. Таким образом, присутствие в атмосфере примесного газа может быть обнаружено и измерено методом спектрального анализа. При этом интенсивность поглощения пропорциональна концентрации примесного газа.

Атмосфера Земли содержит известный состав газов: азот - 78,1%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон, и другие газы [см. «Советский энциклопедический словарь» под редакцией А.М.Прохорова, 4-е издание, Сов. энциклопедия, 1989 г., Атмосфера, стр.86]. В заявленном способе измерение концентрации CO₂ осуществляют на основе анализа поглощения светового луча, дважды прошедшего атмосферу, в спектральной полосе поглощения CO₂ путем сравнения с поглощением луча в спектральной полосе кислорода (O₂), концентрация которого в атмосфере считается известной. Способ спектрометрических измерений светового потока, дважды прошедшего атмосферу, иллюстрируется фиг.1.

Однако для обеспечения точности измерений необходимо соблюдение адекватных условий трассы прохождения и параметров измерительного тракта для каждого из газов. Последнее достигается использованием для измерений одного и того же измерительного прибора с равной приемной апертурой и коэффициентами усиления в спектральных каналах, типа гиперспектрометра «Астрогон-1». Для исчисления абсолютной величины затухания сигналов по трассе распространения в спектральных полосах измерений необходим эталон для сравнения. В качестве эталона используют функцию солнечного спектра I(λ) по Планку. Эталонная (по Планку) функция солнечного спектра, нормированная по интенсивности, иллюстрируется графиком фиг.2.

Энергию затухания светового потока за счет поглощения газовыми молекулами (O₂ и CO₂) по трасе распространения, дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают из соотношений:

ΔW(CO₂)=W_этал.-W(CO₂)

ΔW(O₂)=W_этал.-W(O₂);

где W(CO₂), W(O₂) - энергия сигналов в спектральных полосах измерений.

W_этал. - энергия эталонного (по Планку) солнечного спектра в тех же спектральных полосах, что и измеряемых газов.

Энергия одного кванта (по квантовой теории Планка) w=hυ, где h - постоянная Планка, υ - частота. Поскольку длина волны λ=с/υ (с - скорость света), то энергия кванта: . Полную эталонную энергию светового потока вычисляют по соотношению Рэлея [см., например, Заездный В.М. «Основы расчетов по статистической радиотехнике», Связьиздат, М., 1964 г., стр.93-94]:

где I(λ_i) - амплитуда эталонного сигнала на спектральной линии λ_i;

n - количество спектральных линий в полосе затухания, на которых проводят измерения концентрации газов O₂ и CO₂.

Часть энергии светового потока отражается от верхней границы атмосферы, другая часть энергии диффузно отражается от подстилающей поверхности (см. фиг.1). Для исключения зависимости результата измерений от привходящих факторов необходимо, чтобы коэффициент отражения от подстилающей поверхности был постоянным в некотором диапазоне длин волн. Последнее достигается выбором диапазона измерений в ближнем инфракрасном диапазоне. Зависимость коэффициента спектральной яркости от типа подстилающей поверхности: растительность, почва, каменистые обнажения, иллюстрируется графиками фиг.3 [см., например, Л.И.Чапурский. «Отражательные свойства природных объектов в диапазоне 400…2500 нм», ч.1, Мин. обороны СССР, 1986 г., стр.53-55]. Устойчивость результата измерений, независимого от систематических ошибок, высоты Солнца, азимута зондирования, достигается также использованием метода отношений измеряемых величин, а именно:

С учетом изложенного, приоритетное значение приобретает правильный выбор спектральных полос поглощения для кислорода (O₂) и углекислого газа (CO₂).

На графиках фиг.4, фиг.5 представлены полосы поглощения кислорода O₂ и углекислого газа CO₂, полученные при наземных лабораторных измерениях. В качестве канала сравнения выбрана полоса поглощения атмосферного кислорода 1270 нм, наиболее близкая к полосе поглощения углекислого газа, со средней длиной волны 1610 нм, при равной ширине спектральных полос поглощения, равной 11 нм.

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.6. Функциональная схема устройства содержит космическую платформу наблюдения 1, типа лабораторного модуля 77 КЛМ, стыкуемого с Международной космической станцией (МКС). На космической платформе установлена гиперспектральная оптико-электронная камера 2 (типа гиперспектрометра «Астрогон-1»), осуществляющая трассовую покадровую съемку запланированных регионов 3 по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 4 из центра управления полетом (ЦУП) 5 по радиолинии командного управления 6. Результаты измерений записываются в буферное запоминающее устройство 7 и по командам БКУ, в зонах радиовидимости МКС с наземных пунктов, сбрасываются по мобильному каналу связи 8 на пункты приема информации (ППИ) 9. После предварительной обработки кадров по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты участка) на средствах 10 ППИ информацию передают в Центр тематической обработки 11, где через устройство ввода 12 она вводится в ПЭВМ 13 в стандартном наборе элементов: процессор 14, винчестер 15, оперативное ЗУ 16, дисплей 17, принтер 18, клавиатура 19. Результаты измерений концентрации углекислого газа по трассе полета МКС выводятся на сервер 20 сети Интернет.

Гиперспектрометр «Астрогон-1» имеет несколько параллельных спектральных каналов, в том числе в ближнем инфракрасном диапазоне 0,9-1,6 и 1,6-2,5 мкм, со спектральным разрешением 10…50 нм, разрядностью квантования 12 бит и углом поля зрения 0,11⁰ [см., например, «Малый космический аппарат «Вулкан-Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения», Инженерная записка, РАКА, НИИЭМ, НТЦ «Реагент», стр.8-10].

При исходных данных трактов зондирования в полосе поглощения кислорода (O₂) 1,264…1,275 мкм и в полосе поглощения углекислого газа (CO₂) 1,600…1,611 мкм и экспериментальных данных (графики функций фиг.2, 4, 5) расчетные величины параметров приняли значения, представленные таблице.

Тракт измерений	Ширина полосы поглощения, нм	Энергия эталонного сигнала	Среднее пропускание сигнала в полосе	Энергия регистр. сигнала	ΔW затухания
O2	11		0,7	0,22×0,7	0,066
CO2	11		0,92	0,089×0,92	0,007

Измеренная величина концентрации углекислого газа (CO₂) составит:

.

Высота полета МКС составляет ≈470 км, при поле зрения гиперспектрометра 0,11° площадь обзора одного кадра составит ≈3 км².

Таким образом, заявленный способ позволяет измерить концентрацию углекислого газа в атмосфере в большом разрешаемом объеме и получить профиль функции распределения концентрации примесного газа по протяженной трассе полета.

Эффективность способа характеризуется оперативностью, глобальностью и высокой точностью (сотые доли процента) измерений, что превосходит эффективность известных аналогов.

Способ определения концентрации углекислого газа в атмосфере, при котором путем лабораторных наземных измерений выбирают равное количество смежных спектральных полос поглощения кислорода О₂ и углекислого газа СО₂ в ближнем инфракрасном диапазоне, осуществляют с космического носителя спектрометрические измерения на выбранных спектральных полосах светового потока, отраженного от подстилающей поверхности и дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают энергию регистрируемых сигналов в полосах кислорода и углекислого газа , вычисляют суммарные потери на затухание в полосах О₂ и СO₂ как разницу между энергией эталонного по Планку солнечного спектра в тех же полосах W_этал(O₂) и W_этал(СO₂) и энергией зарегистрированных сигналов:
ΔW(O₂)=W_этал(O₂)-W(O₂); ΔW(CO₂)=W_этал(CO₂)-W(CO₂);
а концентрацию углекислого газа в атмосфере по трассе полета носителя в каждом кадре спектрометрических измерений рассчитывают из соотношения:

где O₂[%] - концентрация кислорода в атмосфере, равная 21%;
I_i(O₂), I_i(CO₂) - амплитуды регистрируемых сигналов каждого из газов;
λ_i - средняя длина волны спектральной линии;
n - количество спектральных линий в каждой полосе.