Космический мониторинг загрязнения земель техногенной пылью:
Физические основы идентификации по космическим снимкам выбросов в атмосферу

автор:

Дешифрувати на космічних знімках прояви забруднення довкілля викидами в атмосферу можна шляхом використання прямих і опосередкованих ознак. Перші з них пов’язані з варіаціями альбедо атмосфери, обумовлених наявністю в ній завислих твердих часточок техногенного або природного походження, другі – з проявами впливу складових викидів, які осідають у приземний шар атмосфери на так звані індикатори, якими зазвичай є фітоценози або сніговий покрив. Розглянемо механізми формування інформативного сигналу в обох випадках.

Атмосферу можна розглядати як середовище, що складається із завислих у ньому часточок (часточки пилу, водяні краплі та ін.) – так званий аерозоль. Склад водяної пари в атмосфері, залежно від різних чинників, коливається в межах 2,3–9.9 г/м3. Основними постійними газовими складовими атмосфери є азот, кисень, вуглекислий газ, аргон, неон, метан, оксид азоту (I) N2O, криптон, озон та водень. Крім перелічених, в атмосфері містяться й інші гази – так звані малі газові складові: сірчистий газ, пара азотної кислоти, аміак, діоксид азоту та ін.

В оптичному діапазоні взаємодія світла з атмосферою визначається процесами поглинання різними газовими складовими та аерозолем, молекулярного й аерозольного розсіювання світла. Поглинання світла носить селективний за спектром характер, тобто спектр поглинання має відносно вузькі максимуми – смуги поглинання, які відповідають різним газовим складовим. В оптичному діапазоні є слабкі смуги поглинання, пов’язані з киснем та озоном. У ближньому інфрачервоному (ІЧ) діапазоні смуги поглинання пов’язані з наявністю крапель води, водяної пари та вуглекислого газу. Водяна пара поглинає випромінювання з довжин хвиль 720, 810, 940 і 1100 нм, особливо сильно – за довжин хвиль 1,4; 1,9 і 2,7 мкм. Вуглекислий газ сильно поглинає з довжин хвиль 2,7 і 4,3 мкм.

Спектральна залежність показника розсіювання атмосфери, на відміну від поглинання, носить повільний характер. Молекулярне розсіювання в атмосфері визначається основними газовими складовими – азотом та киснем і має відносно стабільні характеристики. Спектральна залежність коефіцієнта молекулярного розсіювання Кm(λ) близька до релеєвської й визначається співвідношенням


де λ0=550 нм, ν=4,08…4,09.

Невелика різниця показника степеневої залежності від значення 4 пояснюється спектральною залежністю показника заломлення світла повітрям. Аерозольне розсіювання, на відміну від молекулярного, зазнає значних варіацій залежно від концентрації та мікроструктури завислих часточок, а також від функції їх розподілу за розмірами. Для часточок невеликих розмірів ця залежність є монотонно спадною зі зростанням довжини хвилі, для великих часточок – різниця ступенів розсіювання променів із різною довжиною хвилі згладжується.

Розсіювання світла на часточках обумовлює можливість ідентифікації на космічних знімках оптичного діапазону різних димових та пилових забруднень атмосфери – промислові викиди в атмосферу, дим від лісових пожеж, вулканічні виверження, пилові бурі та ін. (рис. 1, 2).


Рис.1. Знімок лісових пожеж у районі Омська радіометром AVHRR із супутника NOAA (04.09.2002 р.)

Димові шлейфи на космічних знімках оптичного діапазону виглядають світлішими, ніж підстильна поверхня, причому в короткохвильовій ділянці спектра яскравість димового шлейфу вища, ніж у довгохвильовій. У ближньому та середньому ІЧ-діапазоні та в разі сухого диму яскравість шлейфа, як правило, не збільшується. Якщо ж на димових часточках доволі велика конденсація водяної пари, димові шлейфи добре видно і в ІЧ-діапазоні.


Рис.2. Шлейфи викидів промислових підприємств на знімку багатозональним сканувальним пристроєм «МСУ-Э» (24.01.2006 р.)

Отже, в оптичному діапазоні в міру збільшення довжини світлової хвилі зменшується як молекулярне, так і аерозольне розсіювання, що приводить до збільшення прозорості атмосфери та зменшення яскравості атмосферної димки. В ближньому ІЧ-діапазоні простежується така сама тенденція, але на її тлі виявляються смуги мінімальної прозорості атмосфери і локальні мінімуми в спектрі відбивання, обумовлені смугами поглинання світла газовими складовими. При поширенні ІЧ-випромінювання в атмосфері процес розсіювання є істотним тільки за наявності великих (d>λ) аерозольних часточок, які розсіюють світло неселективно по спектру. Внаслідок цього за відсутності хмарності прозорість атмосфери визначається практично тільки поглинанням газовими складовими та аерозольним поглинанням, а яскравість атмосферної димки мізерно мала.

Серед газових складових атмосфери основний внесок у поглинання ІЧ-випромінювання роблять водяна пара (центр смуги поглинання – 6,3 мкм), вуглекислий газ (15 мкм) та озон (9,6 мкм). Крім того, в цьому діапазоні є інтенсивні смуги поглинання деяких малих газових складових: метану (1306 см-1), оксиду азоту (I) (1268 см-1) та менш інтенсивні смуги поглинання сірчистого газу, азотної кислоти, аміаку, діоксиду азоту, інших газів. Аерозольне поглинання істотне у вікнах прозорості, де його вплив на пропускання атмосфери може перевищувати вплив водяної пари.

В екологічних додатках особливо цікавими є оцінки просторово-часових закономірностей забруднення техногенним пилом приземного шару атмосфери. В цьому разі як індикатор забруднення найчастіше використовують сніговий покрив. Основні чинники, що впливають на альбедо снігу, – вологість, забруднення, розмір зерен та щільність снігу. Підвищення вологості супроводжується збільшенням розміру зерен та щільності снігу. При цьому альбедо зменшується внаслідок збільшення поглинання водою та зменшення ролі багаторазового розсіювання. В ближньому ІЧ-діапазоні зменшення альбедо снігу з підвищенням вологості відбувається значно динамічніше, ніж у видимому діапазоні, оскільки смуги поглинання води припадають саме на ближній ІЧ-діапазон. Забруднення снігу, зумовлене акумуляцією в ньому твердих часточок, призводить до зменшення його альбедо. Вплив забрудненості стає істотним за концентрації пилу понад 10–15 мг/дм3. У середньому ІЧ-діапазоні, особливо в спектральних інтервалах 1,55–1,75 та 2,10–2,35 мкм альбедо снігу дуже низьке. На космічних знімках з цього діапазону сніг виглядає темним. Зрозуміло, що використання снігового покриву для аналізу просторово-часових закономірностей забруднення атмосфери техногенним пилом можливе тільки за наявності впродовж тривалого часу сталого снігового покриву.