Метод измерения двуокиси серы в приземном слое атмосферы с помощью корреляционного маск-спектрометра тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

Введение . стр.

Глава I. Достижения метода корреляционной маскспектрометрии .^

Выводы.2,

Глава 2. Метод корреляционной маск-спектрометрии для исследования атмосферных газов.2,

2.1. Принцип измерения.

2*2. Оптимизация ширины щелей маски и длины трассы зондирования

2.3. Анализ способа определения оптических толщин загрязняющего газа корреляционным маск-спектрометром, использующим в качестве источника излучения рассеянную солнечную радиацию

2.4. Способ кюветной градуировки оптических абсорбционных газоанализаторов .б**

Выводы.

Глава 3. Устройство и исследование характеристик корреляционного маск-спектрометра для измерения двуокиси серы в атмосфере.

3.1. Принцип действия.

3.2. Конструкция прибора

3.3. Оптико-электронная система регистрации

3.4. Исследование характеристик корреляционного маск-спектрометра.92,

Выводы .ЮЦ

- J —

Глава. 4. Экспериментальные исследования двуокиси серы в атмосфере с помощью корреляционного маск-спектрометра

4.1. Результаты исследований содержания двуокиси серы на горизонтальных трассах. Сравнение с результатами измерений локальными датчиками <

4.2. Дистанционные измерения содержания двуокиси серы в факеле одиночного источника выброса на фоне рассеянной солнечной радиации

Сравнение с данными радиометра . Я

4.3. Результаты регулярных наблюдений содержания двуокиси серы в приземном слое атмосферы

Выводы.42,

Двуокись серы относится к группе приоритетных газов, постоянный глобальный контроль за которыми рекомендован 0110. Этот газ служит характеристикой антропогенного изменения состава атмосферного воздуха в районах, связанных с хозяйственной деятельностью . человека и, являясь'источником образования кислых дождей и сульфатных аэрозолей, оказывает непосредственное влияние на. животный и растительный^ мир-Земли. Процессы сжигания угля и нефтепродукт, тов являются основными источниками поступления в атмосферу двуокиси серы антропогенного происхождения. Поступления двуокиси серы в атмосферу оцениваются величиной 146*I06 тонн в год [ij. К естественным источникам двуокиси серы относят вулканические выбросы. Основной сток двуокиси серы из атмосферы определяется окислением S02 до сульфатов &0Ц и абоорбцией твердыми и жидкими аэрозолями. Расчетное время жизни двуокиси серы в атмосфере, составляет четверо суток [i]. Имея сильный.континуум поглощения в. УФ-области спектра, где расположены полосы поглощения ряда атмосферных газов, в том числе озона, двуокись серы вносит значительный вклад в изменение прозрачности ашосферы, вызывая необходимость контроля её содержания при проведении спектральных исследований. В связи с высокой активностью двуокиси серы, её содержание для населённых мест нормируется низким уровнем предельно допустимых концентраций (ПДК), равным 19 млрд"*1 (0,05 мкг/м3). Появление больших концентрации антропогенной двуокиси серы зачастую сопровождается наличием других распространённых газовых примесей, таких как двуокись азота, окись углерода, озон, углеводороды, сероуглерод, которые создают определённые трудности для контроля воздуха существующими методами.

-а

Аппаратура для контроля содержания двуокиси серы должна обладать высокой чувствительностью, избирательностью, обеспечивать выбор пространственного масштаба осреднения с высоким разрешением по времени. Применяемые в настоящее время в исследованиях загрязнения атмосферы химические, электрохимические, хемилшинесцент-ные методы в той или иной мере не.отвечают перечисленным требованиям. Характерным для них является локальность измерений и сложность автоматизации для самых чувствительных из них. Значительные трудности возникли в применении лазерных методов, из-за отсутствия промышленных оптических квантовых генераторов с рабочими частотами в заданной области спектра, сложности и ненадёжности имеющихся лабораторных образцов, требующих высококвалифицированного персонала для их обслуживания.

В последнее время за рубежом получили развитие оптические дистанционные анализаторы, использующие традиционную технику спектрального анализа, имеющие устройствогмаску, пропускание которой полноотью коррелирует со спектром поглощения исследуемого газа, и получившие название корреляционных маск-спектрометров. Это работы, связанные прежде всего с разработкой и использованием спектрометров типа "КОСПЕК" фирмы BdrKnger Research /США/ и типа "ТЕЖЕЕК" фирмы 'Techneco /Италия/. Примеры применения этих приборов к исследованиям распространения загрязнений от распределённых источников, а также к оценке эмиссии газов из труб промышленных предприятий и вулканов, показывают, что корреляционные маск-спектро-метры с их высокой чувствительностью и избирательностью обладают уникальными возможностями по оперативному получению информации о загрязнении воздушного бассейна на больших пространствах.

В связи с этим дальнейшее развитие метода корреляционной

-<эмаск-спектрометрии, в частности, создание высокочувствительного прибора для анализа двуокиси серы является актуальной задачей, имеющей научное и практическое значение.

В представленных ранее исследованиях не завершено единое опиоание метода измерений существующими типами корреляционных маск-спектрометров. Невыясненными остались вопросы оптимизации параметров приборов, взаимное влияние спектральной ширины щелей маски и душны трассы зондирования при воздействии на процесс измерения шумов различной природы. .Г

Результаты совместных испытаний корреляционных маск-спектро-метров различных типон показали, что наибольшие ошибки, достигающие 50$ от измеряемой величины, связаны с несовершенной методикой полевой калибровки приборов с помощью^ газонаполненных контрольных кювет. Эти ошибки значительно превосходят погрешности измерений, указываемые в. характеристиках этих/приборов. Таким; образом, разработка методов градуировки и поверки оптических абсорбционных газоанализаторов в, полевых условиях, является задачей, от решения которой зависит дальнейшее повышение точности измерений. Дальнейшего изучения требуют вопросы определения ошибок измерений, обусловленных пространственной и временной изменчивостью самого объекта исследования, а также вопросы согласования результатов измерений выполненных с помощью средств,. имеющих существенные различия в пространственном и временном разрешении; , у*

Пель данной- диссертационной работы заключалась в разработке метода корреляционной маск-спектрометрии, в создании экспериментального образца корреляционного маск-спектрсжетра, способа оптимизации его основных оптических характеристик и проведении систематических наблюдений за содержанием двуокиси серы в атмосфере

-чопромышленного города.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы и приложения.

1. Результаты исследования метода корреляционной маск-спектрометрии используются при разработке новых типов корреляционных маск-спектрометров с оптимальными параметрами и методик проведения измерений. (Использующая организация - ЦАО).

2. Разработанный способ градуировки оптических газоанализаторов используется для градуировки спектрометров типа "ТОПАЗ" и ФГТ-1 (использующая организация - ЦАО) и для градуировки "Трассового измерителя углеводородов на основе гелий-неонового лазера с Ъ. = 3,39 мкм". (Использующая организация - СКБ CAT, г.Ужгород) .

3. Экспериментальный образец корреляционного маск-спектрометра, разработанный автором, используется для систематических наблюдений вариаций содержания двуокиси серы в атмосфере. (ДАО).

4. Результаты наблюдений за содержанием двуокиси серы в городах Ленинград, Сумгаит, Пущино, Лодыжин, Долгопрудный используются для оценки уровня загрязнений воздушного бассейна промышленных районов и районов, удаленных от источников загрязнений, (использующая организация - ГГО, Ленинград; СКВ "Биосфера", Сумгаит; ИПФ АН СССР, Пущино; СЭС, Долгопрудный).

Б заключении автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность за постоянное внимание и поддержку в работе своему научному руководителю Чаяновой Э.А., выражает признательность за благожелательное обсуждение основных результатов работы Хаттато-ву В.У., Хапланову Г.М. и Гуревичу Г.С., за помощь в конструкторской разработке ряда узлов маск-спектрометра Лукинову Ю.И., а также всем сотрудникам лаборатории спектроскопии способствовавших выполнению

этой работы.

1. Химия нижней атмосферы. Сб.статей под ред. С.Расула М., Мир, 1976, 156 с.

2. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере -М., Радио и связь, 1981, 288 с.

3. Kau R.B. Absorption spectra apparatus using optical correlation for the detection of trace amounts of SOg* Applied Optics, 1967, vol.6, N 4, p.776 - 778.

4. Am Willians D.T., Kolitz R.L. Molecular correlation spectrometry. Applied Optics, 1968, vol.7, N 4, p.607 - 616#

5. Pat, N 3*528.002 /США /8 Spectrometer / A.R.Baringer, J.P.Schock. United States Patent Office patented June 30, 1970, U.S.C1. 356 - 97.

6. Bonafe U., et al. Mask correlation spectrophotometry advanced methodology for atvospheric measurements. Atmos. Environ. 1976, vol.10, p.469 - 474*

7. Millan M.M., Hoff R.M. Remote sensing of air pollutants bycorrelation spectroscophy instrumental response characteristics. Atmos. Environ., 1978, vol.12, p.853 - 864.

8. Moffat A.J., Millan M.M. Applications of optical correlation techniques to the remote sensing of S02 plunes using sky light. Atmos. Environ., 1971, vol. 5, p.677 - 690

9. Moffat A.J., Robbins J.R., Barringer A.R. Electro optikal sensing of environmental pollutants. - Atraos. Environ. 1971, vol.5, P.511 - 525.

10. Milan M.M., Hoff R.M. Technical note. How to minimize the baseline drift in a Cospec remote sensor. Atmos. Environ. 177, vol.11, p.857 - 860.

11. A;C. & 919475 (СССР), Оптический измеритель концентрации двуокиси азота в атмосфере / Ю.А.Борисов, В.М.Захаров, И. А. Перевозский, В.К.Утенков, Г.М.Хапланов, Э.А. Чаянова, М. К. Шайков -заявлЛЯ. 12.19ЧЯ Описание Бюллетень № jT,I983.M.IOi3goin 21/26.

12. Борисов Ю.А., Чаянова Э.А., Шайков М.К. Оптический измеритель концентрации газа двуокиси серы в атмосфере, В сб.тезисов и докладов Технические средства для государственной системы контроля природной среды. Обнинск,1981, т.4, ч.1, с.141 - 143.

13. Оптический измеритель концентрации газа ж>2 в атмосфере Д).А.Борисов, И.А.Перевозский, Г.М.Хапланов,1 Э,А.Чаянова, М. К. Шайков. Труды ЦАО, 1979, вып. 137, с. 66 - 71.

14. Zettwood P., Maulet R. Experimental results on the S02 transfer in the Mediterranean obtained with remote sensing devices. Atmos. Environ., 1978, vol.12, p.795 - 796.

15. Millan M.M, Discussion of artical P.Zettwood and R.Haulet.

16. Atmos. Environ-,, 1978, vol.12, p.1063.

17. Bottema M., Plummer W., Strong J. The water vapour on the Venus. Astrophys. Journ., 1964, vol.139, p.1021.

18. Millan.M.M., Chung Y.S. Detection of a plume 400 qm from the source. Atmos. Environ., 1977, vol.11, p.939 - 944.

19. Millan M.M., Gallant A.J,, Turner H.E. The application of correlation spectroscopy to the study of dispersion from tall stacks. Atmos. Environ., 1976, vol,10, N7,p.499 - 511.

20. Egmond N.D., et al. Qua#titative evaluation of mesoscale air pollution transport. Atmos. Environ., 1978, vol.12, p.2279 - 2287.

21. Решетников A.M., Цирук Б.Ф. Некоторые результаты дистанционных измерений содержания so2 в выбросах промышленных объектов.-В сб.тезисов I Всесоюзной конференции "Биосфера и климат по данным космических исследований". Баку,1982, с.95-97.

22. Guillot P.P., et al. First European Community Campaign for Remote Sensing of Atmospheric Pollution, LACQ 3 France/ 7-11 July 1975. Atmos. Environ. 1979, vol.13, P.895 - 917.

23. Hoff R.M., Millan M.M. Remote SOg mass flux measuremehts using Cospec. J, of the Air Pollut. Control Associution, 1981, vol.31, К 4, Р.381 - 384.

24. Portelli R.V. The Eanticoke shoreline diffusion experiment, June 1978. 1. Experimental design and program overview, -Atmos. Environ., .1982, vol.16, N 3, Р.413 421.

25. Anlanf K.G,, et al. The Nanticoke shoreline diffusion expe^ riment, June 1978. 3» Groundbased air quality measurements. -Atmos. Environ., 1982, vol.16, H 3, p.439 454.

26. Sandroni S., et al. Air pollution mass flow over Milan ares. Atmos. Environ., 1982, vol.16, N 5, p,1271 - 1272.

27. Barringer A.R., Davies J.H., Moffat A.J. The problems and potential in monitoring pollution from satellites. AIAA, 1970, Paper N 70 - 305, p.1 - 15*

28. Sandrony S., Cerutti C. Long path measurements of atmospheric sulphur dioxide by Barringer C0SPECC III. Atmos. Environ., 1977, vol.11, N 12, p,1225 - 1232.-14 1

29. Gianni P. Measurement of atmospheric pollution by a mask correlation spectrophotometer. Meteorological aspects of air pollution. Reports delivered at the International Symposium in Leningrad, March 1977, vol.3, p.39 - 48.

30. Sandroni S., Groot M. Technical Uote, Intercomparison of sulphur dioxide. Atmos. Environ., 1978, vol.12, p.127 - 133.

31. Пат. № 953997. Способ и устройство для измерения концентрации загрязняющих газов /Т.Тирабасси, 0;В.Антизари, Д.Чезари, Д.Джо-ванелли,У.Бонафи. Гос.Комитет СССР по делам изобретений и открытий. 0т.4.07.1975.М.Кл3С01 №21/31.Описание Бюллетень №31,1982

32. Сабурова Л.А.Чаянова Э.А. Оценка потоков уходящего излучения с целью обнаружения загрязняющих газов у поверхности Земли со спутников. Тезисы докладов У Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск, 1979, ч.Ш, с.197.

33. Millan М.М. Hoff R.M."Dispersive correlation spectroscopy: a study of mask optimization procedures. Applied Optics, 1977, vol.6, N 16, p.1609 - 1618.»

34. Рытов C.M., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радио физику ч.П Случайные поля. М. Наука. 1978, с.334.39» Davis J.I. Consideration of atmospheric turbulence in laser sistemdesing. Appl. Opt. 1966, vol.5, P«139,

35. Малахов В.В., Копьев В.А., Филипов В.И., Черненький В.И., Фридман Ш.Д. Лазерный измеритель концентрации сернистого ангидрида в атмосфере. В сб. Вопросы контроля загрязнений природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

36. Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнений природной среды. Л.:

37. Гидрометеоиздат, 1983. 280 с.

38. Giovanelli G., Tirabassi Т.,' Sandroni S. Sulfur dioxide plumestructure by mask-correlation spectroscopy, Atmos, Environ,,1979, vol.13, p.1311 1318.

39. Millan M.M. Remote sensing of air pollutants: a study of some atmospheric scattering effects. Atmos. Environ., 1980, vol.14, p.1241 - 1253.

40. Чаянова Э.А., Шайков M.K. Корреляционные маск~спектрометры для исследования малых газовых составляющих атмосферы. Обзорная информация. Серия "Автоматизация сбора и обработки гидрометеорологической информации".Вып.2,г.Обнинск, 1984,42 с.

41. Николаев А.Н., Эвентова И.Л. Метрология на службе охраны окружающей среды. Метрологическое обеспечение средств измерений газообразных примесей атмосферы. М.5 изд.ВНИИКИ,1980, с.64.

42. Пратт Вильям К.Лазерные системы связи. Пер. с-англ., М., Связь 1972.

43. Thompson R.T., Hoell J.M., Wade W.R. Measurements of SOg absorption coefficients using a tunable dye laser. J.Appl. Phys. 1975, V 46 N 7, p.3040 - 3043.

44. Brassington D.J. Sulfur dioxide absorption cross section measurements from 290 nm to 317 nm. - Appl. Optics., 1981, V 20, IT 21, p. 3774 - 3779.

45. Спектроскопические методы определения следов элементов под ред. Дж.Вайнфорцнера. М.Мир 1979, с.252.

46. Takeuchi К#, Shimizu Н. and Okuda М. Detectivity estimation of the DAS-Lidar fo H02.-Appl.Optics.1978,V 17,p.2734 2738.

47. Перевозский И.А., "Чаянова Э.А.," Шайков М.К. Корреляционные маск-спектрометры для исследования содержания газов двуокиси азота и двуокиси серы в атмосфере. В кн.: Тезисы докладов

48. Ш Всесоюзного совещания по атмосферной оптике и актинометрии. Томск, 1983, ч.Д, с. 136 139.

49. Борисов Ю.А., Перевозский И.А., Хапланов Г.М., Чаянова Э.А., Шайков М.К. "О выборе метрики для экспериментального исследования газовых загрязнений в атмосфере". Труды ЦАО, М. 1978, вып.138, с.58 - 65.

50. Pat. IT 106477 (ПНР) . Spectrofotometryczny analizator korela-cyjny gazow. /T.Kornalewski, E.Wojnar. Urzad Patentowy "PRLf Opis patentowy. Int CI2. G0IN 21/02 28.08.78.

51. Pat. N 1598.189 (ФРГ). Spectrometer /A.R.Barringer, J.P.Schock.г . »

52. Deutsches patentant, Bundes republik Deutshland Patentschrift, Ausgabetag 14 Februar 1974, Int. Cl.GOIj 3/36, Deutsche Kl. 42h20/01.

53. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И КОНТРОЛЮ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫордена трудового красного знамени 1 j

54. ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ им. А.И. ВОЕЙКОВА194018. , Ленинград. Карбышева, 7 Телегр. 194018. Ленинград, ГГО1. Телекс:122612 Рапан

55. Телефоны: 247-43-90. 245-02-11

56. Директору ЦА0 1ц. / ■ ^ • 'Черникову А. А.1. На *1. Г П, г .Долгопрудный, М.-Av^ обл., ул.Первомайская, 3я ■