Фактори та параметри навколишнього середовища

 

Саме тому оптичне випромінювання проникає на значні глибини, що зумовлює нагрівання води в шарі товщиною в кілька метрів. На оптичні характеристики води можуть впливати розчинені в ній солі та органічна речовина(SiO2, Fe203, А12О3), бактеріо-, фіто- і зоопланктон, змулена речовина. Оптичні характеристики води пов’язані з її каламутністю, що в свою чергу залежить від розсіювання і поглинання оптичного випромінювання на частинках глини, бруду, кремнію, іржі, а також на водоростях і бактеріях. Вплив наявних у воді розчинених речовин, забруднень та мікроорганізмів на спектральні параметри води може бути використаний для дистанційного зондування водойм.

 

 

 

2. Забруднення водного середовища

 

 

 

Забруднення води - зміна фізичного або хімічного стану поверхневих чи підземних вод, що негативно впливає на живі організми.

 

Класифікація забруднень

 

До основних забруднювачів води відносять біологічні, хімічні, механічні, радіоактивні та теплові.

 

Біологічні забруднювачі включають патогенні мікроорганізми: бактерії, віруси, найпростіші, водорості.

 

До хімічних забруднювачів належать побутові відходи, гній, продукти розпаду рослин, індустріальні відходи, важкі метали, фосфати й нітрати, нафтопродукти, пестициди, сполуки хлору.

 

Механічні забруднення містять викиди нерозчинних твердих мінеральних речовин, що утворюються при розробці шахт та кар’єрів. Причиною механічного забруднення водойм є також пластикові вироби.

 

Радіоактивні забруднення включають природні радіоактивні матеріали, відходи внаслідок видобування, збагачення копалин, обробки та експлуатації ядерного палива.

 

Теплові забруднення спричинюються розсіюванням у довкіллі вихідної енергії у вигляді підігрітої води та гарячих газів внаслідок експлуатації теплових та атомних електростанцій. Підвищення температури води призводить до зміни кисневого режиму, збільшення випаровування з поверхні, змін умов існування гідрофауни, гідрофлори і бентосу водойми, викликає «цвітіння» води, зумовлює акумуляцію стійких забруднювачів. Крім того, з підвищенням температури води пов'язане зменшення вмісту розчинених у ній кисню, азоту, вуглекислого газу. Всі ці зміни гідрологічних, гідрохімічних і гідробіологічних показників можуть спричиняти несподівані наслідки для водних організмів і загальну зміну екологічного стану водного об’єкта.

 

 

Стічні води

 

Водні ресурси можуть забруднюватися через каналізаційні або індустріальні викиди. Муніципальні стічні води - складна суміш води (понад 99%) із органічних та неорганічних забруднювачів, суспендованих або розчинених у воді. Основними компонентами стічних вод є:

 

- мікроорганізми;

 

- тверді речовини;

 

- неорганічні компоненти;

 

- синтетичні хімічні препарати;

 

- органічні речовини.

 

 

Евтрофікація водойм

 

Процес підвищення рівня первинної продукції водойм внаслідок збільшення в них концентрацій біогенних речовин (азоту, фосфору) називаютьевтрофікацією. Під первинною продукцією слід розуміти насамперед продукцію зелених рослин. Можна виділити такі основні етапи евтрофікації. Спочатку в водоймі накопичуються значні кількості мінеральних солей, що приносяться водами річок, струмків та внаслідок природної ерозії. Збагачення вод поживними елементами сприяє інтенсивному росту водоростей; виникають потужні спалахи фітопланктону. Водночас можлива послідовна зміна популяцій водоростей з переважанням синьо-зелених і зелених водоростей. Збільшення біомаси фітопланктону спричинює погіршення прозорості води; фотосинтез протікає лише в при поверхневому шарі, оскільки тільки в ньому водорості забезпечуються сонячною енергією. Далі відбувається відмирання значної маси водоростей, що супроводжується значним зменшенням кисню в нижніх шарах водойми. Після повного зникнення кисню починається процес анаеробного (без участі повітря) бродіння.

 

Запобігти процесу евтрофікації можна завдяки застосуванню сучасних методів очистки стічних вод від фосфатів, забороні або обмеженню використання фосфатів як компонента побутових детергентів та миючих засобів, контролю за забрудненням місцевості гноєм та агрохімікатами, за потраплянням стічних вод у швидкі потоки або моря, очищенню дна водойми від седиментів, видаленню надлишкової маси водоростей з водойми, забезпеченню аерації водних резервуарів та озер.

 

 

 

3. Методи вимірювання параметрів води та стічних вод

 

 

Сучасні методи вимірювання параметрів води та стічних вод діляться на:

 

- спектроскопічні;

 

- електрохімічні;

 

- хроматографічні;

 

- радіохімічні.

 

В основі методів оптичної спектроскопи лежить аналіз оптичного випромінювання, що взаємодіє з об’єктом дослідження за поглинання, пропускання, відбивання, розсіювання, пере випромінювання з подальшим аналізом тих змін, яких набуває оптичне випромінювання. Розрізняють такі методи:

 

- емісійна спектроскопія (вивчення  спектрів випромінювання атомів  та молекул);

 

- атомно-абсорбційний аналіз (випаровування речовини й пропускання через пару речовини оптичного випромінювання);

 

- оптико-акустична спектроскопія (перетворювання залишку енергії  збуджених молекул речовини в  тиск, що реєструється);

 

- інфрачервона спектроскопія (вивчення  спектрів поглинання в інфрачервоній області спектра);

 

- флуоресцентна спектроскопія (збудження  та реєстрація випромінювання  флуоресценції).

 

Ряд інших спектроскопічних методів ґрунтується на взаємодії електромагнітного випромінювання з магнітним полем (спектроскопія на основі ядерно-магнітного резонансу), створенні іонних пучків з їх подальшим розподілом за масою в електричному та магнітному полях (мас-спектрометрія)емісії електронів (рентгенівська фотоелектронна спектроскопія, спектроскопія Аугера); розсіюванні оптичного випромінювання молекулами речовини(спектроскопія комбінаційного розсіювання) або частинками речовини, суспендованими в рідині (нефелометрія, турбідиметрія); реєстрації кута повертання площини поляризації оптичного випромінювання (поляриметрія) та залежності цього кута від довжини хвилі оптичного випромінювання (дисперсія оптичного обертання).

 

Електрохімічні методи ґрунтуються на аналізі процесів, що відбуваються на електродах і в між електродному просторі з подальшою реєстрацією залежності потенціалу (потенціометрія), струму (вольтамперометрія або полярографія), заряду (кулонометрія) або електропровідності (кондуктометрія).

 

Хроматографічні методи передбачають розділення, знаходження й визначення речовин завдяки неоднаковості їх поведінки в системі з двох фаз, що не змішуються.

 

Радіохімічні методи використовують реєстрацію випромінювання під час радіоактивного розпаду.

 

 

Навчальні питання:

 

1. Поширення електромагнітного  випромінювання крізь атмосферу.

 

2. Класифікація систем дистанційного  зондування.

 

3. Застосування дистанційного зондування.

 

 

 

1. Поширення електромагнітного  випромінювання крізь атмосферу

Електромагнітне випромінювання під час проходження крізь атмосферу зазнає поглинання та розсіювання. Крім того, теплове випромінювання й розсіювання з інших напрямків роблять свій внесок у випромінювання, що реєструється. Отже, вплив атмосфери на електромагнітне випромінювання, що несе інформацію про об’єкт навколишнього середовища, має бути обмеженим.

 

Поширення γ - випромінювання. На інтенсивність γ-випромінювання, що проходить через атмосферу на систему реєстрації, впливає вологість ґрунту. Збільшення вологості зумовлює послаблення цього випромінювання.

 

Поширення випромінювання видимої та близької інфрачервоної областей спектра. У видимому діапазоні основним фактором ослаблення оптичного випромінювання є молекули та аерозолі атмосфери.

 

Основними молекулами атмосфери, здатними поглинати оптичне випромінювання, є водяна пара, двоокис вуглецю, озон, кисень, оксид вуглецю, метан і оксиди азоту. Поглинання відбувається за переходів між коливальними та обертальними рівнями. Крім того, молекули основних компонентів атмосфери - азоту й кисню - внаслідок своєї симетричної структури позбавлені електричного дипольного моменту і не беруть участі в процесі поглинання.

 

За відсутності опадів атмосфера містить дисперговані тверді та рідкі частинки (льоду, пилу, ароматичних та органічних речовин, біологічних матеріалів), що мають розміри від кількох молекул до 40 мкм. Такі колоїдні системи, в яких газ (у даному випадку - повітря) містить дисперговані частинки, називають аерозолями.

 

Під час взаємодії оптичного випромінювання з середовищем, внутрішня структура якого неоднорідна, має місце розсіювання випромінювання. Цей процес супроводжується поширенням частини випромінювання в напрямку, що відрізняється від напрямку поширення випромінювання, яке падає. Характер розсіювання оптичного випромінювання залежить від співвідношення між розмірами частинок середовища, які розсіюються, та довжиною світлової хвилі λ. Звичайно в атмосфері середньої прозорості розсіювання на аерозолях домінує, якщо довжина оптичного випромінювання перевищує 0,5 мкм.

 

Розсіювання Релея виникає за зміщення зв’язаних електронів під впливом електричного поля, що падає на молекулу. Це поле сприяє утворенню диполя, який коливається і посилає електромагнітне випромінювання такої ж частоти. Розсіювання Релея характеризується тим, що інтенсивність розсіяного випромінювання змінюється залежно від четвертого ступеня довжини світлової хвилі. Саме такою залежністю можна пояснити природний блакитний колір неба, який отримується за відбивання сонячного світла від частинок пилу й водяної пари, присутніх в атмосфері. У видимій області спектра є істотна залежність інтенсивності розсіяного випромінювання від довжини хвилі; розсіювання Релея відбувається при d < 0,05λ. В області λ > 1 мкм цим типом розсіювання можна знехтувати.

 

Розсіювання Мі відбувається на частинках великих розмірів (d > λ) і супроводжується виникненням інтерференції світла, що призводить до появи інтерференційної картини і істотної зміни діаграми кутового розподілу розсіяного світла.

 

Розсіювання Дебая відповідає проміжному випадку між двома попередніми типами розсіювання - Релея і Мі (0,05 λ < d < λ).

 

В інфрачервоній області спектра проходження електромагнітного випромінювання обмежене вікнами  прозорості  атмосфери (λ < 1,1 мкм; 1,2 мкм < λ < 1,3 мкм; 1,5 мкм < λ < 1,7 мкм; 2,0 мкм < λ < 2,3 мкм).

 

Таким чином, проходження оптичного випромінювання через атмосферу характеризується процесами його поглинання та розсіювання атмосферними молекулами й аерозолями. Під час проходження через атмосферу оптичне випромінювання зазнає ослаблення, що визначається за законом Бера.

 

Поширення надвисокочастотного (НВЧ) випромінювання. Використання НВЧ області дає можливість спостерігати за земною поверхнею через хмари та опади. Спостереження у вікнах прозорості до 40 ГГц та в інтервалі 80…100 ГГц дають змогу оцінювати з супутників опади.

 

2. Класифікація систем дистанційного  зондування

 

 

Збирання, запис і аналіз інформації щодо об’єктів навколишнього середовища на відстані називається дистанційним зондуванням. Методи й техніка дистанційного зондування ґрунтуються на реєстрації поглинутої, відбитої або випромінюваної енергії, що надає специфічних характеристичних ознак основним компонентам біосфери. Розглянемо основні типи систем дистанційного зондування.

 

Реєстрація γ- випромінювання

 

Метод ґрунтується на вимірюванні природного короткохвильового (λ < 2 ∙ 10-10 м) γ-випромінювання присутніх у земній корі або в сніговому покриві радіоактивних елементів - природних радіоізотопів 40К, 238U, 208Ti. У звичайному ґрунті 90% γ - випромінювання утворюється в 20-сантиметровому поверхневому шарі.

 

Фотографічні системи

 

В основі техніки повітряної фотографії лежить створення на фотоплівці зображень земної поверхні з авіаносіїв та супутників. Звичайно використовують чорно-білі панхроматичні, чорно-білі інфрачервоні, кольорові та кольорові інфрачервоні плівки. Фотографічні системи здатні створювати зображення об’єктів навколишнього середовища з високим рівнем розділення; застосування техніки багато спектральної фотографії дає змогу отримати додаткову специфічну інформацію, на яку меншою мірою впливають температура й вологість навколишнього середовища. Фотографічні системи, що встановлюються на літаках, здатні забезпечити знімки з висоти близько 20 км; розміри площі, яка фотографується, можуть досягати 30 на 50 км2.

 

 

Відеографічні системи

 

Застосування відеокамер дає змогу створювати та записувати зображення у видимій, близькій та середній інфрачервоній областях спектра. Перевагою відео систем є невисока вартість, створення та накопичення послідовних зображень будь-якого процесу. До недоліків цієї техніки можна віднести невисоке просторове розділення.