Тема 11. Вимірювання параметрів парникового ефекту, опадів та аерозолів

 

Вид заняття: лекція

Час: 4 години

 

Навчальні питання:

1. Парниковий ефект і вимірювання його впливу.

2. Водний баланс атмосфери. Параметри опадів.

3. Вимірювання параметрів аерозолів.

 

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища.- К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища.- К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

1. Парниковий ефект і вимірювання його впливу

 

Внаслідок господарської діяльності людини в атмосфері збільшується вміст вуглекислого газу (CO), закису азоту (N2O), метану (СН4), галагенопохідних вуглеводнів і тропосферного озону (О3).

Метан потрапляє в атмосферу внаслідок діяльності мікроорганізмів у болотистих ґрунтах або в системах травлення травоїдних тварин, а також при спалюванні палива, сміття, добуванні вугілля.

Закис азоту надходить як результат діяльності мікроорганізмів у ґрунті й воді, через виробництво й застосування азотних добрив у сільському господарстві.

Специфічною особливістю цих газів є те, що вони поглинають оптичне випромінювання в інфрачервоній області спектра. Справа в тому, що сонячне випромінювання є короткохвильовим, тоді як випромінювання земної кулі - довгохвильовим. Сонячне випромінювання проникає крізь атмосферу і нагріває земну поверхню. Інтенсивність сонячного випромінювання становить 1368 Вт/ м2 (сонячна стала); якщо врахувати, що площа земної поверхні S = πR2(де R - радіус земної кулі), а також альбедо земної поверхні а = 0,3, то кількість сонячної енергії, отримуваної земною поверхнею, буде дорівнювати

1368 Вт/ м2 (1 - 0,3)πR2.

Водночас енергетична світність земної поверхні, дає змогу оцінити кількість енергії, що посилається земною поверхнею у вигляді інфрачервоного випромінювання. Враховуючи баланс між сонячним випромінюванням, що сягає земної поверхні, та інфрачервоним випромінюванням її поверхні, можна визначити, що температура земної поверхні має бути 253 К. Але насправді, як очевидно, ця температура не відповідає реальній ситуації. Справжня температура земної поверхні близько 288 К. Причиною такої температурної різниці є парниковий ефект.

Теплове довгохвильове випромінювання Землі поглинається атмосферними газами (СО2, Н2О, СН4,), що зумовлює нагрівання при поверхневого шару атмосфери, оскільки ці гази відіграють роль віконного скла у парнику. Внаслідок цього ефекту порушується тепловий баланс; цілком імовірним є підвищення глобальної температури поверхні Землі внаслідок зміни концентрації парникових газів, що може призвести до зміни клімату.

Розглянемо кілька методичних прийомів кількісної оцінки можливого впливу парникового ефекту.

Вимірювання температури морської поверхні як з борту океанських суден, так і супутників за допомогою інфрачервоних і надвисокочастотних радіометрів дає змогу оцінити електромагнітне випромінювання, що посилається та відбивається морською поверхнею, а також посилається та поглинається атмосферою (у разі використання супутників). Моделювання цих процесів приводить до точних оцінок глобальних змін температури навколишнього середовища.

Оцінка глобального нормалізованого диференційного вегетаційного індексу (НДВІ). Для встановлення функціональних зв’язків між вегетаційними характеристиками рослин, що перебувають у стресових умовах, і спектральними параметрами цих рослин доцільно вживати так звані спектральні вегетаційні індекси як суму, різницю або відношення спектральних параметрів, визначених на певних аналітичних довжинах хвиль. Нормалізований диференційний вегетаційний індекс визначається як:

        НДВІ = (NIR - RED)/(NIR + RED)     (11.1)

 

Тут NIR відповідає ближній інфрачервоній області спектра (750…1359 нм), в якій мезофільні структури рослини відповідають за відбивання випромінювання, a RED - червоній області видимого спектра (600…700 нм), з якою пов’язане поглинання оптичного випромінювання хлорофілом. Перевагою цього індексу є близька до лінійної залежність його величини від кількості рослинної продукції, що залежить від температури.

Визначення концентрації атмосферних газів дає змогу оцінити випромінювальний баланс Землі, температуру земної поверхні, температурний профіль атмосфери та фізичні властивості хмар. Перспективним методом кількісної оцінки атмосферних газів є спектроскопія на основі Фур’є перетворення.

Вимірювання температури при поверхневого шару ґрунтується на оцінці інфрачервоного випромінювання, що надсилається системою «земна поверхня-атмосфера» на 19 спектральних ділянках в межах 3,7...15 мкм, а також надвисокочастотного випромінювання на чотирьох ділянках близько 50 МГц спектра випромінювання кисню. Комбінація двох спектральних областей дає можливість обмежити вплив хмарності та точніше оцінити температуру приповерхневого шару атмосфери.

 

2. Водний баланс атмосфери. Параметри опадів

 

Водний баланс атмосфери - то кількість опадів, що випадають на земну поверхню та вологи, що випаровується з цієї поверхні. Вода випаровується з поверхні океанів, ґрунту, озер та річок, переноситься вгору повітряними потоками, конденсується з утворенням хмар і врешті-решт повертається на земну поверхню у вигляді опадів. Таким чином, випаровування, конденсація й опади є основними процесами гідрологічного циклу. Процес випаровування буде розглянуто у лекції «Едафічні фактори», тоді як процеси конденсації та опадів відбуваються саме в атмосфері.

Конденсація - це процес переходу речовини в результаті охолодження або стиснення з газоподібного стану в конденсований (рідкий або твердий). Насичена пара в атмосфері конденсується на дрібних частинках - так званихядрах конденсації. Залежно від температури Та атмосфери утворюються краплі води (Та < 273,2 К) або частинки льоду (Та< 233 К), розміри яких не перевищують 2 мкм. Ці краплі та частинки, що формують хмари, здатні зростати за розмірами, що приводить до опадів - дощу, снігу, граду, роси, паморозі, туману.

Розглянемо основні параметри опадів - твердих або рідких продуктів конденсації водяної пари, що падають з хмар чи осаджуються з повітря на земну поверхню.

Кількість опадів, що випали, вимірюють товщиною (в міліметрах) того шару, який би утворився на земній поверхні, коли б опади не стікали, не випаровувалися і не просочувалися в грунт.

Інтенсивність опадів відповідає кількості опадів у міліметрах, що випадає за 1 хв. За інтенсивністю опади поділяються на слабкі, помірні та сильні. Якщо інтенсивність опадів перевищує 1 мм за 1 хв., такі опади відносять до злив.

Тривалість опадів - параметр, що характеризує, як довго тривають опади.

Треба розрізняти ці параметри - помірний дощ протягом доби може дати 120 мм опадів, тоді як під час зливи цю кількість опадів можна зареєструвати за 20 хв. Отже, кількість опадів у розглянутих двох прикладах однакова, а інтенсивність і тривалість - різні.

 

2.1. Вимірювання опадів

Дощомір складається з ємності, відкритої зверху, що містить два елементи - колектор і приймач (рис. 11.1). Колектор має циліндричну або конусоподібну форму; площа отвору його близько 400 см2. Приймач обладнано шкалою для вимірювання зібраної води. Для запобігання випаровуванню на поверхню води наносять шар нафти товщиною 5 мм.

Нахилені черпаки використовують на автоматизованих станціях за спостереженням погоди. Вони складаються з двох черпаків трикутної форми, з’єднаних з одного боку. Вся конструкція може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 11.2). Під час дощу один з черпаків заповнюється водою та перекидається; з цього моменту починає заповнюватися інший черпак. Невеликий магніт виконує функції контакту, що замикає електричний ланцюг. Кількість опадів відповідає кількості замикань ланцюга, тоді як час між двома замиканнями дає змогу оцінити інтенсивність дощу.

Рис. 11.1. Дощомір, призначений для вимірювання опадів

 

 

Рис. 11.2. Вимірювання опадів за допомогою нахилених черпаків

 

Сифонний дощомір - циліндричний резервуар, обладнаний поплавком, з’єднаний з пером самопису (рис. 11.3). За допомогою сифона резервуар звільнюється від води, коли кількість її сягає певного рівня, і перо самопису повертається в початковий стан.

Ваговий опадомір ґрунтується на постійному контролі ваги води, зібраної в контейнері за допомогою вимірювальної системи. Цей тип приладу використовують для оцінки твердих опадів.

Ваговий опадомір ґрунтується на постійному контролі ваги води, зібраної в контейнері за допомогою вимірювальної системи. Цей тип приладу використовують для оцінки твердих опадів.

 

Рис. 11.3. Сифонний дощомір

 

2.2. Кислотні дощі

Кислотні дощі виникають унаслідок природних та індустріальних викидів оксидів сірки та азоту в атмосферу, де вони перетворюються на частинки сульфатів і нітратів, що змішуються з водяною парою й утворюють сірчану та азотну кислоти, які повертаються на земну поверхню седиментації або у вигляді опадів. Сірка потрапляє в атмосферу в результаті руйнування біосфери, вулканічної діяльності, випаровування води з поверхні океанів. Азот надходить в атмосферу за ґрунтової емісії окису азоту, грозових розрядів, горіння біомаси, спалювання природного палива, роботи двигунів внутрішнього згорання, активності транспорту. Всі ці гази поширюються у вертикальних і горизонтальних напрямках; під час цих переміщень забруднюючі речовини зазнають певних фізико-хімічних перетворень за індукованих сонячним світлом хімічних реакцій.

Результатом цих реакцій є утворення сірчаної або азотної кислот.

 

Методи детектування кислотних дощів

Хемілюмінесценція - люмінесценція, що супроводжує хімічні реакції. Так, діоксид азоту у збудженому стані формується з окису азоту в присутності надлишку озону.

Озон при цьому випромінює світло на довжині хвилі 1,2 мкм. За допомогою цього методу можна визначати оксид азоту NO, діоксид азоту NO2 та суми оксидів азоту N0x.

Ще один хемілюмінесцентний метод ґрунтується на хімічній реакції етилену з озоном; ця реакція супроводжується люмінесценцією на довжині хвилі 435 нм.

Полум’яна фотометрія полягає у випаровуванні речовини, що досліджується, у полум'ї графітової трубки або плазми, після чого через пару речовини пропускають оптичне випромінювання. Реєстрація ступеня ослаблення інтенсивності ліній речовини, які визначають, дає змогу оцінювати концентрацію його у зразку. Цей метод застосовується для вимірювання SOr

Метод кулонометрії ґрунтується на вимірюванні кількості електрики, затраченої на відновлення або окислення речовини, що аналізується. Застосовується метод для аналізу газоподібних забруднень в атмосфері (S02, NOx,H2S).

Флуоресцентний метод передбачає збудження та реєстрацію флуоресценції диоксиду сірки SO2 .

 

3. Вимірювання параметрів аерозолів

 

Аерозолі - дисперсні (колоїдні) системи, що складаються з частинок розміром від 10-5...10-7м та газового середовища, в якому вони перебувають у завислому стані.

До основних параметрів аерозолів можна віднести їх розміри, розподіл за розмірами, кількість, швидкість руху. Розглянемо основні методи вимірювання параметрів аерозолів.

Реєстрація лазерного розсіювання на аерозолях дає змогу оцінити розміри та розподіл за ними аерозолів. Процес розсіювання лазерного випромінювання залежить від розмірів аерозолів, відносного показника заломлення й довжини хвилі випромінювання. Аерозолям, розміри яких перевищують довжину хвилі лазерного випромінювання, властиве розсіювання Мі, що супроводжується виникненням інтерференції світла та істотної зміни діаграми кутового розподілу розсіяного світла.

Метод лазерної дифрактометрії полягає в аналізі дифракційної картини, що отримується за пропускання лазерного променя через аерозолі.

Метод Допплерівської спектроскопії передбачає взаємодію двох лазерних променів з аерозолем, що рухається зі швидкістю V.

 

3.1. Аерозолі біологічного походження

До аерозолів біологічного походження (біоаерозолів) слід віднести віруси, бактерії, пилок і частинки комах. Всі вони здатні провокувати захворювання та алергічні реакції у людей, впливати на тварин і рослини. Крім того, ці аерозолі відіграють роль центрів конденсації і, отже, впливатимуть на процеси утворення хмар. Основним джерелом біологічних аерозолів є рослини, що постачають в атмосферу спори й пилок. Останні поширюються завдяки повітряним потокам. Сюди ж відносять сільське господарство з його технологічними процесами з обробітку землі, муніципальну активність та численні водойми.

Розміри аерозолів біологічного походження коливаються в межах: віруси - 0,005...0,25 мм; бактерії, спори - понад 0,5 мм; пилок - більше 5 мм; уламки рослин, частинки комах, епітелію людини й тварин - близько 1 мм. Концентрація біологічних аерозолів залежить від конкретних умов; так, у зоні стічних вод концентрація бактерій становить 104...105 /см3; у повітрі міста – 7500/см3; в атмосфері парку – 290/см3.

Детектування та ідентифікація біоаерозолів

Зовнішній вигляд приладу для збирання біоаерозолів наведено на рис. 11.4.

Прилад обладнаний флюгером, що дає змогу орієнтувати вхідне віконце проти напрямку вітру. Біоаерозолі надходять протягом доби на стрічку, покриту клейкою речовиною. Ця стрічка обертається відносно вхідного віконця за допомогою електродвигуна з тим, щоб стежити за рівнем аерозолів, що надходять протягом доби. Вся система встановлюється на високому місці (наприклад, даху будинку). Раз на добу стрічку знімають і аналізують на предмет кількісного та якісного вмісту біоаерозолів.

 

Рис. 11.4. Зовнішній вигляд приладу для збору аерозолів

 

Розглянемо основні методи ідентифікації біоаерозолів.

Методи мікроскопії передбачають візуальне спостереження біоаерозолів за допомогою світлової мікроскопії, скануючої та аналітичної електронної мікроскопії. Перевагою методів є висока роздільна здатність, недоліком - довготривалість та трудомісткість процесу вимірювань.

Методи флуоресцентної спектроскопії використовують збудження та реєстрацію первинної (завдяки природним флуорофорам) або вторинну (завдяки внесеним флуорофорам) флуоресценцію біоаерозолів. Деякі мікроорганізми здатні демонструвати хемі- або біолюмінесценцію. Перевагою методу є висока чутливість, недоліком - не всі біоаерозолі мають флуорофори (речовини, здатні флуоресціювати).

Інфрачервона спектроскопія на основі Фур’є перетворювання є перспективним методом ідентифікації великої кількості компонентів біоаерозолів, що беруть участь у формуванні інфрачервоного спектра. Перевагою методу є висока чутливість і точність вимірювань.

Методи спектроскопії комбінаційного розсіювання також застосовують для ідентифікації біоаерозолів. Цей тип розсіювання включає втрату або набуття кванта коливальної енергії молекулою. Йдеться про непружене світлове розсіювання, коли фотон, що падає, має енергію значно більшу, ніж енергія, яку коливальний квант втрачає через збудження молекули; залишок енергії розсіюється як фотон зі зменшеною частотою. Перевагою методу є те, що спектральні комбінаційні зсуви специфічні для кожного біоаерозоля; інтенсивність кожної лінії пропорційна концентрації кожного компонента. Недолік - потреба у потужних лазерах як джерелах випромінювання.

Хроматографічні методи базуються на розділенні, знаходженні та визначенні речовин завдяки неоднаковості їх поведінки в системі із двох фаз, які не змішуються, - рухомій і нерухомій. Рухомою фазою може бути рідина (розчин суміші речовин, що аналізуються) або газ (суміш газів), нерухомою - тверда речовина або рідина, адсорбована на твердій речовині, яку називають носієм. Під час руху рухомої фази вздовж нерухомої кожна компонента суміші осідає (сорбується) на нерухомій фазі (сорбенті) відповідно до матеріалу сорбенту, затримується і вповільнює свій рух. Через те, що різні компоненти мають різну спорідненість, відбувається просторове розділення цих компонентів - одні компоненти затримуються на початку шляху, інші просуваються далі тощо.

Відповідно до способу хроматографування розрізняють колонкову й площинну хроматографію. В першому варіанті розділення відбувається у колонці, в другому - на папері або в тонкому шарі сорбенту. Найпоширенішим носієм є папір, отже, цей метод називають паперовою хроматографією. Одним з перспективних є метод високоефективної рідинної хроматографії, що ґрунтується на прискоренні процесу хроматографування під впливом тиску. Для цього рідинна фаза вводиться насосом.

Газова хроматографія передбачає використання інертного газу як рухомої фази та діатоміту (гідратованого силікагелю) як носія; останній розміщують у спіральних або капілярних колонках.

Типова хроматограма біоаерозолів свідчить про складність та специфічність їхнього складу. Перевагою методу є висока роздільна здатність; недоліком - складність обладнання.

Mac - спектрометричні методи передбачають розділення іонізованих молекул і атомів відповідно до їх мас завдяки дії магнітних і електричних полів на пучки іонів, що летять у вакуумі. Для аналізу вмісту біоаерозолів поєднують процеси піролізу (нагрівання без доступу повітря, що призводить до розкладання речовини), випаровування та іонізації, які мають місце під час взаємодії біоаерозолю з лазерним випромінюванням: один промінь лазера використовується для піролізу та випаровування, другий промінь лазера - для вимірювання розмірів аерозолів, а третій промінь лазера - для іонізації.

 

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»