ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ. ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Стр 1 из 3Следующая ⇒

,МИНОБРНАУКИ РОССИИ

_____________________________

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

_____________________________________

А. А. Бузников

А.с.Гришканич

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

УДК 528.8 (07)

ББК З 854.3с11я7+Б1с11я7

А 65

А 65 Бузников А. А., Гришканич А.С. Дистанционное зондирование окружающей среды: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015., 48 с.

ISBN 5–7629–0746–5

Рассмотрены задачи изучения Земли как целостной природной системы на основе широкого применения космических методов и аппаратуры дистанционного зондирования. Показано, что глобальный экологический мониторинг требует создания системы наблюдений с использованием как обычных, так и спутниковых средств. Отмечена особая роль косвенных оптических методов измерения характеристик уходящего электромагнитного излучения и восстановления по ним интересующих потребителя величин. Дано определение космической спектрофотометрии природной среды как нового научного направления. Рассмотрены основные методы космической спектрофотометрии, комплекс спектральной аппаратуры и перспективы их использования для глобального аэрокосмического экологического мониторинга.

Предназначено для студентов специальностей 202000 «Квантовая и оптическая электроника» и 190700 «Оптико-электронные приборы и системы», а также может быть полезно инженерно-техническим работникам этой области знаний.

УДК 528.8 (07)

ББК З 854.3с11я7+Б1с11я7

Рецензенты: ; д.ф.-м.н. проф. В.И. Биненко,

Д.т.н.проф В.Л.Горорхов

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ISBN 5–7629–0746–5 © СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015

Введение

На рубеже двух веков экономическое и социальное развитие общества пришло в явное противоречие с ограниченными ресурсовоспроизводящими и жизнеобеспечивающими возможностями биосферы. Все виды природопользования - промышленное, сельскохозяйственное, лесохозяйственное, рекреационное и другие - сопровождаются не только получением желаемых результатов, но и разветвленными экологическими, эколого-экономическими и социальными последствиями.

Истощение естественных ресурсов суши и океана, техногенное нарушение биохимического круговорота вещества, загрязнение всех составляющих природной среды, упрощение и деградация экосистем привели к необходимости создания системы глобального экологического мониторинга с целью предотвращения и ликвидации экологических катастроф и прогноза состояния природной среды. В основу этого мониторинга должно быть положено знание законов взаимодействия компонентов геосферы и биосферы, изучение которых требует проведения междисциплинарных исследований беспрецедентной сложности. Примером может служить Международная геосферно-биосферная программа (МГБП), главной целью которой стало исследование глобальных изменений геосферы, особенно с точки зрения антропогенных воздействий на биогеохимические круговороты углерода, азота, серы, фосфора, воды, динамики таких факторов жизнеобеспечения, как радиация, качество воздуха и природных вод, плодородие почв, а также связей между биосферными и геофизическими явлениями.

Естественно, что задача изучения Земли как целостной природной системы может быть решена только на основе широкого применения космических средств наблюдения, которые базируются на использовании методов и аппаратуры дистанционного зондирования. Причем глобальный экологический мониторинг требует создания системы наблюдений с использованием как обычных, так и спутниковых средств.

1. Вопросы, решаемые методами дистанционного зондирования.

1.1 Основные экологические проблемы, решаемые методами дистанционного зондирования

В основе решения многочисленных природно-ресурсных и экологических задач с применением аэрокосмических средств лежат методы дистанционного зондирования, основанные на индикации состояния природных образований на поверхности Земли по результатам измерения их оптико-физических характеристик. Особую роль при этом играют косвенные оптические методы, обеспечивающие измерения характеристик уходящего электромагнитного излучения, являющихся сложными функционалами состояния природной среды, и восстановление по ним интересующих потребителя величин. Как правило, измеряется радиация Солнца или искусственных источников излучения, трансформированная атмосферой и отраженная или рассеянная подстилающей поверхностью. В инфракрасном и радиодиапазонах регистрируется собственное тепловое и радиоизлучение систем "земная поверхность - атмосфера" и "океан - атмосфера". Характеристики измеряемого электромагнитного излучения: интенсивность, поляризация, спектральное, пространственно-частотное и угловое (индикатриса отражения) распределения и др. - содержат информацию о конкретных типах природных образований и их физическом состоянии. Точность измерения указанных характеристик зависит от выбора диапазона регистрируемого излучения, используемой аппаратуры, направления визирования, зенитного и азимутального углов Солнца и др., т.е. от параметров, характеризующих условия проведения эксперимента.

В практике природно-ресурсных и экологических исследований под дистанционным зондированием понимают различные виды фотографических, спектральных, лидарных, тепловых, радиолокационных и других видов съемок атмосферы, поверхности Земли и Мирового океана с наземных, судовых, аэрокосмических и других носителей с целью изучения их состояния или тематического картирования. В работах детально рассмотрены возможности применения аэрокосмической аппаратуры дистанционного зондирования для решения задач экологического мониторинга. Например, при контроле загрязнения атмосферы объектами исследования являются глобальные изменения химического состава атмосферы, атмосфера городов и промышленных центров, крупные источники промышленных загрязнений атмосферы, очаги пожаров, осадки, трансконтинентальный перенос загрязнений, состояние озоносферы. При этом для измерения таких параметров, как распределения малых газовых составляющих атмосферы (озон, углекислый газ, окислы азота, двуокись серы, окись углерода), успешно применяются спектрометры видимого и ближнего ИК излучения, лидары и корреляционные газоанализаторы. Для изучения аэрозоля, кроме спектрометров и лидаров, применяется актинометрическая аппаратура, тепловизионная аппаратура, многоспектральные сканирующие устройства и аэрофотосъемочная аппаратура.

При контроле состояния поверхности суши изучается состояние растительности (оазисы, сельскохозяйственные культуры, пастбища, тропические леса, мангровые заросли, бореальные леса, болота, .растительность тундры), почвы (эрозийные процессы, минеральный состав, типы почв, содержание гумуса, влажность, засоление), подземных вод (области питания, стока, разгрузки). Методики дистанционного определения влажности почвы, например, предусматривают возможность использования многозональной аэрофотосъемочной аппаратуры, многоспектральных сканирующих устройств видимого и ИК диапазонов, телевизионной и тепловизионной аппаратуры, спектрометров видимого и ИК диапазона, одно- и двухканальных радиометров 3,5-4,0 и 8,0-14,0 мкм, трассовых поляриметров видимого диапазона, комплекса актинометрической аппаратуры, а также сканирующих многоканальных СВЧ-радиометров и радиолокаторов с синтезированной апертурой.

Одной из важнейших задач глобального экологического мониторинга является контроль состояния акваторий. При этом объектами исследования являются моря, океаны, реки, внутренние водоемы. Мониторинг состояния акваторий предусматривает измерение размеров и толщины нефтяных пленок, концентрации фитопланктона, неорганических взвешенных и растворенных органических веществ, цвета воды, площади, занятой макрофитами, тепловых загрязнений, изучение изменений русла рек, береговой линии, эрозии (движения) отмелей, температуры, направления ветра, высоты волн, движения водных масс. Основная часть этих измерений выполняется при помощи оптической аппаратуры дистанционного зондирования, за исключением определения направления ветра и высоты волн, которые определяются с помощью скаттеромстров, работающих в радиодианазоне. Что касается движения водных масс, изменений русла рек, береговой линии и эрозии отмелей, то измерения этих параметров могут успешно выполняться как в оптическом, так и в радиодиапазоне. Как оптическая, так и радиоаппаратура дистанционного зондирования имеют свои преимущества и недостатки. Основным достоинством радиолокационной аппаратуры является ее всепогодность. Оптическая же аппаратура обладает более высокой разрешающей способностью при меньших габаритах и весе.

1.2 Космическая спектрофотометрия природной среды

Наибольший объем информации из космоса о состоянии природной среды в настоящее время получают при помощи фотографической и многоспектральной сканирующей аппаратуры. Преимуществом фотографических и многоспектральных изображений является пространственная и факторная интеграция и связанная с этим возможность комплексного анализа закономерностей пространственно-временной изменчивости разнообразных характеристик природных образований. Однако одних только данных о пространственном распределении поля яркости в какой-либо области спектра недостаточно для вполне однозначной индикации наблюдаемых объектов и определения их свойств. Нужны спектральные количественные методы измерений. Они существенно расширяют возможности решения обратных задач. Кроме того, они необходимы для оптимизации параметров много-спектральных космических систем и выбора наиболее информативных спектральных интервалов.

Космическая спектрофотометрия природной среды определена как научное направление, предусматривающее разработку методов и аппаратуры для измерения из космоса спектров отражения, поглощения и рассеяния солнечного излучения природными образованиями и оптических характеристик природной среды (спектральных коэффициентов отражения, поглощения, излучения, степени поляризации, спектральных яркостей и контрастов) с целью изучения существующих в природе зависимостей характеристик поля электромагнитного излучения от параметров природной среды, таких, например, как тип и состояние природных объектов, концентрация газовых компонентов и аэрозоля на разных высотах в атмосфере, состояние поверхности Мирового океана и др. Космическая спектрофотометрия природной среды опирается на научный фундамент классической фотометрии с ее строгой системой теоретических положений, расчетов и количественных методов измерения лучистой энергии. Спектральные измерения с космических аппаратов выполняются через толщу земной атмосферы, и поэтому важное место занимают проблемы переноса излучения в реальной сферической атмосфере.

Большинство подстилающих поверхностей и природных образований имеет в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах свой особый характеристический спектр отраженного, поглощенного или вторичного теплового излучений. Для дистанционного зондирования природных образований важно знать отражательные и поглощательные свойства их материалов на поверхности планеты. Для оценки экологического состояния природных объектов необходимо знать, как изменяются спектры поглощения или излучения при изменении этого состояния. В связи с этим в настоящее время расширилось число экспериментальных работ, которые направлены на изучение влияния различных антропогенных факторов на оптические свойства растительности, сельскохозяйственных культур, тундровых мхов и лишайников, тропических и бореальных лесов.

Атмосфера представляет собою смесь газов, в которой взвешены твердые и жидкие частицы - от мелкодисперсных аэрозолей до плотных облаков. Электромагнитные волны взаимодействуют с содержащимися в атмосфере частицами пыли, дыма, кристалликами льда и каплями воды и т.п. При этом процессы рассеяния и поглощения энергии уменьшают интенсивность солнечной радиации у поверхности Земли, изменяют диапазон излучения. Электромагнитные волны длиной меньше 0,27 мкм полностью поглощаются озоном, не проходят сквозь атмосферу и не могут быть использованы для дистанционного зондирования поверхности Земли. Видимая и ближняя ИК области спектра освоены лучше и позволяют в принципе получать наибольшее количество информации о различных типах природных образований. К основным недостаткам измерений в этих областях относится сильная зависимость результатов от атмосферной дымки и возможность их проведения только при освещенной поверхности Земли. Последний недостаток может быть исключен в случае использования в качестве источника излучения специально разработанных лазерных систем. При измерениях в тепловой инфракрасной области результаты измерений зависят от изменений температуры природных образований. Тепловизионные методы могут быть использованы и ночью. Однако они менее чувствительны к изменениям физико-химических характеристик природных образований.

Космическая спектрофотометрия включает ряд методов измерений, среди которых наибольшее применение нашли метод спектральных измерений отраженного и рассеянного системой Земля - атмосфера солнечного излучения и метод измерения прозрачности атмосферы по Солнцу

Спектральные характеристики природных объектов являются не только их опознавательными признаками, но и признаками их экологического состояния. Особенно важное значение имеют спектральные характеристики природных образований для числовой обработки данных дистанционного зондирования и автоматизации процесса дешифрирования материалов аэрокосмических съемок. В настоящее время их изучают при помощи записи и обработки спектральных и многозональных изображений, которые представляют различия спектральных характеристик природных образований в виде изображений с увеличенной контрастностью. В первую очередь, здесь интересны методы, которые позволяют найти корреляции состояния природных объектов с комбинацией спектральных данных по двум и большему числу каналов.

Спектральное и интегральное альбедо и связанные с ними спектральные или интегральные коэффициенты отражения различных подстилающих поверхностей, наряду с такими параметрами, как температура поверхности океана (ТПО), общее содержание и вертикальное распределение в атмосфере водяного пара, озона, углекислого газа, аэрозоля, прозрачность атмосферы, относятся к числу наиболее существенных метеорологических параметров, измерения которых из космоса дают возможность создать глобальную систему слежения за параметрами атмосферы и подстилающей поверхности. Такая система позволяет не только систематически изучать разнообразные свойства атмосферы, океана, суши и ледяного покрова, но и использовать эти данные для долгосрочного прогноза погоды и климата.

Взаимодействие электромагнитного излучения с объектом природной среды сопровождается процессами отражения, рассеяния, дифракции, преломления и двойного лучепреломления и поглощения в слое, в который оно проникает. Вследствие этого электромагнитные колебания, первоначально ориентированные равновероятно в различных плоскостях в падающем луче естественного света, после взаимодействия с объектом могут получить какую-либо преимущественную пространственную ориентацию. Отраженное или рассеянное излучение становится частично поляризованным. Если в астрономии поляризационные методы измерений используют уже более 80 лет, то систематические исследования поляризации солнечного излучения, отраженного от различных типов природных образований на поверхности Земли стали проводиться лишь за последние 30 лет, а использование измерений поляризационных характеристик уходящей радиации с самолетов и из космоса для экологического мониторинга стали развиваться в России и в бывшем Советском Союзе лишь за последние 25 лет. Развитие лазерной техники привело к использованию в практике геофизических исследований активных поляризационных методов. Новую страницу в применении поляризационных методов для исследования состояния природной среды открыло применение радиолокационной техники. Поляризационный метод уже нашел применение для индикации нефтяных загрязнений и дистанционного измерения концентрации взвешенных веществ в поверхностном слое воды. Открылись также некоторые возможности дистанционного контроля влажности почвы и состояния растительных покровов по измерению степени поляризации восходящего излучения. Спектрополяриметры находят в настоящее время применение для дистанционного зондирования водных поверхностей, прибрежных зон и внутренних водоемов с самолетов и вертолетов, а также при проведении многоуровневых подспутниковых экспериментов. Однако на измерения, выполненные с высоты полета авианосителей, существенное влияние оказывает промежуточный слой атмосферы. По результатам измерений с самолетов и вертолетов на разных высотах и из космоса проведены оценки вклада атмосферы в величины этих характеристик и представлены методы атмосферной коррекции. В работе приведены результаты экспериментальных исследований изменений с высотой степени поляризации восходящего излучения и ее спектрального хода. Представлена также полуэмпирическая методика численного учета влияния атмосферы при поляризационных измерениях.

В настоящее время основным методом получения информации о состоянии природной среды являются сканерные методы получения изображений. При их помощи осуществляют съемку в широком диапазоне спектра (0,3-14,0 мкм) - от ультрафиолетового до инфракрасного теплового. Решающее значение для широкого использования сканерных изображений для природно-ресурсных и экологических исследований при дистанционном зондировании с космических аппаратов имеет оперативность, с которой спектральные изображения (изображения, полученные для каждого отдельного достаточно узкого спектрального интервала), регистрируемые электронными устройствами, могут быть переданы в цифровом виде на Землю в режиме непосредственной передачи в зоне радиовидимости станции приема или быть сброшены после записи в режиме запоминании, когда спутник находился вне зоны видимости станции приема. Запись многоспектральных данных на магнитные носители открыла широкие возможности для обработки и анализа изображений с помощью компьютерных систем.

Анализ существующих и разрабатываемых многоспектральных сканирующих устройств (МСУ) оптического диапазона позволяет сделать ряд выводов и рекомендаций для их дальнейшего совершенствования. Функциональные возможности МСУ определяются следующими параметрами:

- количеством рабочих спектральных зон, их шириной и положением в спектральном диапазоне работы прибора;

- разрешающей способностью на местности для каждого измерительного канала;

- сектором обзора и геометрией сканирования;

- радиометрической точностью измерений в каждом канале (относительная и абсолютные погрешности);

- диапазоном яркостей природных образований, регистрируемым каждым измерительным каналом;

- пороговой чувствительностью измерительных каналов.

Большинство перечисленных параметров взаимосвязаны. Поэтому при разработке новой аппаратуры необходимо проводить оптимизацию выбора значений каждого из них при заданной точности радиометрических измерений. Для успешной работы по оптимизации параметров МСУ, применяемых в государственной космической системе ИПРЗ, необходимо: во-первых, составить и согласовать перечень научных и народно-хозяйственных задач, для решения которых необходимо применение МСУ, проранжированных по степени важности и экономической целесообразности, во-вторых, активизировать работы по составлению каталога спектров природных образований и методам автоматизированной обработки многоспектральных изображений.

Таким образом, в развитии количественных спектральных методов исследования природной среды и глобального экологического мониторинга наметились два основных подхода. Первый - это многоспектральные сканирующие оптико-электронные системы, многозональные фотоаппараты и трассовые спектротелефотометры, позволяющие получать изображения поверхности Земли и ее атмосферы в нескольких относительно узких спектральных интервалах. Второе - спектральная аппаратура, предназначенная для регистрации непрерывного спектра прямого, отраженного или рассеянного солнечного излучения в заданном спектральном диапазоне. В первом случае методы отличаются большим полем обзора, высоким пространственным разрешением при значительной потере спектральной информации. Во втором случае - высоким спектральным разрешением при сравнительно малом пространстве, попадающем в поле зрения научного прибора. Оба метода спектральных исследований существенно дополняют друг друга. Каждый из методов находит свои преимущественные области применения. Перспективность их продемонстрирована в космических экспериментах, описанных в ряде недавно вышедших монографий по дистанционным методам изучения природной среды. Так, данные о непрерывных спектрах отражения, поглощения и рассеяния солнечного излучения природными образованиями необходимы для разработки и эффективного применения многоспектральных сканирующих устройств и многозональных фотоаппаратов и, в первую очередь, для оптимального выбора наиболее информативных спектральных интервалов. На спектрометры с непрерывной регистрацией спектра падает основная нагрузка, связанная с получением данных для решения фундаментальных научных задач. Применение же многоспектральных сканирующих систем и многозональных фотоаппаратов должно быть связано с решением конкретных народно-хозяйственных проблем. Причем МСУ обеспечивают оперативность получения космической информации, а фотографическая аппаратура, установленная на автоматических космических аппаратах и орбитальных станциях, обеспечивает получение высококачественной информации из космоса о медленно изменяющихся природных процессах и явлениях, доставляемой на Землю вместе с возвратом фотоматериалов.

1.3. Планирование космических исследований

Из-за высокой стоимости проведения космических экспериментов, значительного объема накапливаемой на борту информации проблема оптимального планирования систем дистанционного зондирования из космоса приобретает в настоящее время большую актуальность. В связи с тем, что интерпретация данных спутниковых наблюдений связана с решением математически некорректных задач (по характеристикам излученной, отраженной или поглощенной радиации необходимо восстанавливать параметры, характеризующие состояние природной среды), выбор условий измерений существенно влияет на точность получаемого результата. С одной стороны, неудачный выбор спектральных каналов или геометрии измерений может в значительной мере обесценить результаты эксперимента. С другой стороны, пренебрежение исследованиями информационного содержания данных дистанционных измерений может привести к получению избыточной информации. В связи с этим многие работы посвящены оптимизации систем глобальных наблюдений. В них проведен анализ информативности глобальных систем аэрологического и дистанционного зондирования атмосферы, рассмотрены методы теории "сопряженных уравнений" для оптимизационного планирования систем обычных и спутниковых наблюдений, проанализированы требования потребителей космической информации к системам дистанционного зондирования из космоса и информативность существующих бортовых измерительных комплексов. Исследования по глобальным изменениям, к которым обычно относят изменения биосферы, окружающей среды и климата, предполагают всемерное использование данных дистанционного зондирования и географических информационных систем (ГИС), интегрирующих базы данных различного назначения. Перспективы регулярного использования для этих целей данных многоспектральных сканирующих систем, представленных в форме цифровых изображений, обычно связывают с системой наблюдения Земли EOS (Earth Observing System) и ее составными частями: глобальной системой наблюдения климата - GCOS, океана - GOOS и суши - GTOS. Эти международные системы имеют грандиозный замысел и позволят получать на регулярной основе данные от десятков типов аппаратуры, установленной на космических аппаратах, в видимой, ИК и микроволновой областях спектра. Однако эффективность этих систем до конца не ясна. Гигабайты информации в сутки, которые будут поставлять эти системы в начале следующего века, несомненно демонстрируют прогресс приборной и информационной базы, но оставляют в тени проблемы практическою использования этих данных для науки о глобальных изменениях, лежащих в основе практической реализации Международной геосферно-биосферной программы (МГБП. В связи с этим в работе справедливо отмечается, что перспективы дальнейшего развития информатики для исследований Земли из космоса заключаются в расчете числовых значений количества информации для разных типов измерительных данных и конкретных природных объектов. Унификация дистанционных и наземных измерений путем использования строгих определений множеств, мер и метрик способствует сравнимости различных потоков измерительных данных в общей системе реализации ГИС-технологий разного назначения.

Учитывая важность перечисленных выше глобальных и региональных экологических проблем. Оптическое общество им. Д.С. Рождественского провело в Санкт-Петербурге с 5 по 7 июня 1997 г. Международную конференцию "Оптика в экологии". Цель конференции состояла в обсуждении основных направлений использования оптических методов и аппаратуры для изучения антропогенного воздействия на природную среду, анализе теоретических и практических проблем разработки и применения оптических систем для экологических исследований; обсуждении результатов наблюдения оптических явлений в атмосфере, Мировом океане и других природных объектах с точки зрения их использования для изучения и прогноза экологического состояния природной среды; обсуждении возможности использования оптических методов и приборов для реализации программ международного сотрудничества по предотвращению катастрофических последствий антропогенного воздействия на биосферу. Доложенные на конференции результаты показали большие потенциальные возможности российской оптической науки для решения проблем космической спектрофотометрии и глобального экологического мониторинга.

2. Физические основы лидарного зондирования.

2.1 Основы физики атмосферы

Для достижения прогресса в исследовании окружающей среды необходимо соединение высокого уровня развития науки и техники и понимания важности этой проблемы обществом. Последние двадцать лет мы были свидетелями создания и усовершенствования лазеров, в эти же годы возросло понимание ограниченности ресурсов Земли и «хрупкости» баланса ее экосистем. Такие связанные с окружающей средой явления, как влияние фторуглеродов и окислов азота на защитный озонный слой Земли, влияние двуокиси углерода и вулканической пыли на климат, образование фотохимического смога, нефтяные загрязнения и кислотные дожди, привлекли всеобщее внимание к уязвимости биосферы Земли.

Солнечная радиация является основным источником энергии, приходящей на Землю, и, следовательно, играет важную роль в формировании структуры и состава ее атмосферы. Характер взаимодействия радиации с составляющими атмосферы существенно зависит от длины волны. Коротковолновая радиация (λ < 200 нм, или 0,2 мкм, что соответствует энергиям фотонов, превышающим 6 эВ) способна вызывать диссоциацию, а в случае малых длин волн (λ < 100 нм) и ионизацию основных составляющих атмосферы: азота (N2) и кислорода. Озон может диссоциировать при длинах волн короче 320 нм (озон диссоциирует и при поглощении видимой радиации в полосе Шапюи).

При увеличении длины волны взаимодействие ослабляется и в инфракрасной (ИК) области (λ > 760 нм) основным результатом взаимодействия является колебательное возбуждение молекул. Из-за взаимодействия с атмосферой спектр солнечной радиации, проходящей через атмосферу, изменяется (рис. 2.1). Верхняя кривая, приведенная на указанном рисунке, дает представление о спектральной освещенности вне атмосферы. Как можно заметить, максимум кривой приходится на 470 нм. Около 20% энергии солнечной радиации переносится на длинах волн короче 470 нм и 44 % — в видимом диапазоне 400—760 нм.

Прерывистая кривая на рис. 2.1 отображает спектральную освещенность, которую создавало бы абсолютно черное тело (АЧТ) при Т = 5900 К, а нижняя сплошная кривая — спектральную освещенность, обусловленную радиацией на уровне моря при нахождении Солнца в зените. Различие между двумя сплошными кривыми связано с ослаблением из-за рассеяния и поглощения, а затемненные участки дают наглядное представление о поглощении в атмосфере. Кроме узкой полосы поглощения O₂ при 760 нм (0,76 мкм), основные полосы поглощения связаны с молекулами Н₂O и СO₂.

Рис. 2.1. Спектральная освещенность прямой солнечной радиацией до и после ее прохождения через атмосферу.

Спектральная яркость Земли и ее атмосферы в ИК-Диапазоне по наблюдениям с метеорологического спутника «Нимбус-4» в отсутствие облаков представлена на рис. 2.2. Плавные кривые — спектральные яркости АЧТ при температуре 260, 280 и 300 К. Как можно видеть, основная часть энергии, излучаемая Землей в пространство, приходится на диапазон 8—14 мкм.

Баланс между падающим потоком солнечной радиации и тепловым излучением Земли и ее атмосферы приводит к термической структуре атмосферы, представленной на рис. 1.3. Самая нижняя, и поэтому наиболее плотная, часть атмосферы называется тропосферой. Граница тропосферы совпадает с минимумом температуры и лежит на высотах от 10 км на полюсах до ~ 15 км в тропиках. Выше тропосферы лежит стратосфера — область, в которой сосредоточена основная часть озонного слоя атмосферы. Как следует из рис. 2.3, классификацию областей атмосферы выше тропосферы можно проводить в зависимости от того, что представляет интерес: исходя из профиля либо плотности, либо температуры. Высотная зависимость температуры, приведенная на рис. 2.3, является качественной: для полярных и тропической зон она несколько различается.

Рис. 2.2. Данные спутниковых измерений яркости в надир (изрезанная кривая).

Высотные профили плотности большинства важных составляющих атмосферы можно найти в справочнике U. S Standard Atmosphere (1976). Плотность воздуха обычно экспоненциально падает с высотой. Однако характерный масштаб изменения с высотой увеличивается в области 100 км, и далее падение плотности замедляется. Плотность некоторых составляющих (главным образом фотохимического происхождения, например, О или О₃ имеет более сложную зависимость от высоты.

Поскольку молекулярные массы N₂ и О₂ равны соответственно 28 и 32 кг/кМ, средняя молекулярная масса воздуха составляет 28,96 кг/кМ. 1 кМ идеального газа при стандартных температуре и давлении (В качестве стандартных приняты температура 273,16 К и давление 1,01325∙10⁵ Па) занимает объем 22,4 м³. При этих же условиях средняя плотность воздуха
равна 1,29 кг∙м^-3. Эта информация будет полезна читателю для перехода от единиц объемной доли млн^-1 к единицам кг∙м^-3при рассмотрении малых газовых составляющих атмосферы.

Многие из малых газовых составляющих можно классифицировать как загрязнения, иными словами, их можно считать вредными в той или иной мере для людей. Одни оказывают воздействие на человека непосредственно, как, например, окись углерода (угарный газ), в то время как механизмы воздействия других оказываются более тонкими. Хлорфторуглероды (ХФУ, известные также под названием фреонов) считались раньше полностью безвредными из-за их химической инертности. Однако результаты расчетов указали на возможность попадания стабильных молекул ХФУ в стратосферу, где под воздействием ультрафиолетовой (УФ) радиации они диссоциируют с образованием свободных атомов хлора, ко торые дают вклад в каталитическое разрушение озона. Этот процесс схематически иллюстрирует рис. 2.4.

Рис. 2.3. Структура земной атмосферы.

Согласно докладу Национальной академии наук США, опубликованному в 1979 г., непрерывное поступление ХФУ в атмосферу со скоростью, фиксированной на уровне 1977 г., привело бы за несколько десятилетий к снижению концентрации озона на 16%. Такое снижение концентрации озона в стратосфере вызвало бы увеличение на ~44 % потока так называемой вредной солнечной УФ-радиации (290—320 нм), достигающей земной поверхности. В докладе высказывается предположение о том, что это могло бы привести к ежегодному росту числа случаев заболевания раком кожи среди населения на много тысяч только в США; вредное действие было бы оказано и на многочисленные другие формы жизни, включая злаковые культуры.

Рис. 2.4. Упрощенная схема образования озона

Несмотря на некоторую ограниченность достоверности этих прогнозов, вряд ли можно найти аргументы против необходимости тщательного и постоянного исследования стратосферы и ее составляющих, и, в частности, ввиду того что некоторые побочные продукты деятельности людей, такие, как NО и ССl₄, могут также давать вклад в разрушение

Другая долговременная проблема, с которой сталкивается человек, связана с ростом содержания в атмосфере двуокиси углерода (СO₂), образующейся в результате сжигания ископаемых топлив. Согласно оценкам специалистов, содержание СO₂ в атмосфере в результате деятельности людей увеличилось за последнее столетие на ~15%. Важность изучения СO₂ обусловлена радиационными свойствами этого газа: он прозрачен для излучения видимого диапазона, но относительно непрозрачен для теплового ИК-излучения. Это приводит к так называемому парниковому эффекту, солнечная радиация сравнительно беспрепятственно проходит через атмосферу, в то время как тепловое излучение земной поверхности «захватывается» молекулами С02 в атмосфере. Вклад в этот эффект могут давать и другие молекулы. Например, как показано в работе, фреон-11 и фреон-12 могли бы вызвать повышение температуры земной поверхности на 0,9 К при содержании в атмосфере с отношением смеси, не превышающим нескольких долей 109 (млрд^-1), что обусловлено их сильными полосами поглощения в спектральном интервале 8—12 мкм, где сосредоточена значительная часть энергии ИК-излучения Земли (см. рис. 2.2).

Окись азота и двуокись серы порождают проблему так называемого кислотного дождя, важность которой все возрастает. Полагают, что в результате ряда химических реакций в атмосфере NО превращается в азотную (HNО₃), a SO₂ — в серную (H₂S0₄) кислоты. Несомненно, что серная кислота является загрязнителем атмосферы на протяжении веков — со времен индустриальной революции в Европе. Образование первых плотных туманов в таких городах, как Лондон, было вызвано в основном окислами серы (SO_х). В настоящее время в большинстве европейских стран принято ограничение на допустимый среднегодовой уровень S0₂ составляющий 100 мкг∙м^-3. В конце 40-х годов в Лос-Анджелесе был обнаружен новый тип загрязнений воздуха — пероксиацетилнитраты (PAN), вызывающий раздражение глаз, повреждение растений и снижение видимости. В дальн<

12 3 Следующая ⇒