Какое количество параметров контролируют данные станции

ОБЗОР СТАНЦИЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Панарин Владимир Михайлович, Маслова Анна Александровна, Гришаков Кирилл Владимирович, Гришакова Ольга Владимировна, Логунов Дмитрий Андреевич

Рассмотрены действующие системы экологического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха в России, измеряемые ими вещества, их расположение, а также рассмотрены основные правила установки постов мониторинга. Приведено описание структуры автоматизированной системы экологического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, разработанной на кафедре охраны труда и окружающей среды Тульского государственного университета, оборудование для поста мониторинга загрязнения атмосферного воздуха.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OVERVIEW OF AUTOMATIC AIR POLLUTION MONITORING STATIONS

The current systems of environmental monitoring of atmospheric air pollution in Russia, the substances they measure, their location, and the basic rules _ for installing monitoring posts are considered. The description of the structure of the automated system _ for environmental monitoring of atmospheric air pollution, developed at the Department of Labor and Environmental Protection of the Tula State University, equipment_ for the monitoring post of atmospheric air pollution is given.

Текст научной работы на тему «ОБЗОР СТАНЦИЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА»

ОБЗОР СТАНЦИЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ

В.М. Панарин, А.А. Маслова, К.В. Гришаков, О.В. Гришакова, Д.А. Логунов

Ключевые слова: экологический мониторинг, прогнозирование, загрязнение атмосферы, промышленно развитая территория, пост экологического мониторинга.

Загрязнение воздуха приводит к развитию сердечно-сосудистых, и онкологических заболеваний. Вредные вещества накапливается в организме с другими факторами, в частности с последствиями курения, что со временем приводит к хроническим заболеваниям. Сейчас загрязнение воздуха убивает больше человек, даже чем СПИД и туберкулёз вместе взятые. Больше всего от грязного воздуха страдает население стран со средним и низким уровнем дохода [1].

По данным Всемирной Организации Здравоохранения, 92% населения планеты живут в зонах неудовлетворительного состояния воздуха, и это загрязнение способствует 1 из 8 смертей [2].

В России в августе 2021 года разработан Федеральный проект «Чистый воздух», призванный улучшить экологическую обстановку страны. Данный проект призывает снижать количество выбросов вредных веществ, оказывающих наиболее негативное влияние на воздух и здоровье людей. Наибольшее внимание получают следующие города России: Братск, Красноярск, Липецк, Магнитогорск, Медногорск, Нижний Тагил, Новокузнецк, Норильск, Омск, Челябинск, Череповец и Чита. В проекте предлагается создание для предприятий благоприятных условий для модернизации процессов с применением современных технологий для соблюдения нормативных требований.

Системы экологического мониторинга предназначены для непрерывного автоматизированного контроля загрязнения воздуха в больших городах. Составной частью таких систем являются посты экологического мониторинга, которые осуществляют сбор информации и передачу ее на сервер. Наиболее часто производиться мониторинг следующих параметров: оксид азота (NO), диоксид азота (NO2), аммиак (NH3), диоксиды серы (SO2), оксиды углерода (CO), сероводород (H2S), озон (O3), формальдегид (CH20), аэрозольные частицы (PM10 и PM2,5).

В основном посты экологического мониторинга используются в районах с неблагоприятным климатом. Экологические посты можно разделить на передвижные и стационарные.

Данные станции устанавливают по следующим правилам:

стационарные пункты наблюдений за атмосферным воздухом размещаются в местах, выбранных на основе предварительного исследования атмосферного воздуха;

пункт наблюдений за атмосферным воздухом размещается на открытой площадке с ровным покрытием: асфальте, твердом грунте;

посты наблюдений, создаваемые в зоне влияния загрязняющих объектов, размещаются на выделенном участке в области наибольшей количества населения;

приоритет при выборе мест размещения постов мониторинга имеют плотность проживания населения, густонаселенные районы.

Для контроля за выполнением проекта «Чистый воздух», оперативного принятия важных решений и снижения экологических проблем осуществляется внедрение станций экологического мониторинга для получения информации о качестве атмосферного воздуха.

В настоящие время для контроля загрязнений существует огромное разнообразие постов экологического мониторинга. Ниже описаны распространенные и передовые системы постов.

Платформа «МегаФон Экология». Среди задач внедрения платформы экологического мониторинга от компании «МегаФон» — автоматизация процессов получения сведений о состоянии окружающей среды (атмосферного воздуха) и об изменениях субъектов деятельности человека. Цель — обеспечение чистоты атмосферного воздуха на выбранной территории.

Платформа наблюдает за экологической обстановкой в режиме реального времени, анализирует полученные данные и передает их в службы организации. Данные предоставляются в виде отчетов, для того чтобы можно было оценить динамику процессов, предугадать их изменения. Платформа «МегаФон Экология» позволяет собирать данные из разных источников: автоматизированных и неавтоматизированных постов мониторинга, принадлежащих собственникам. Можно вводить вручную данные точечных исследований. При выявлении случаев превышения установленных норм платформа уведомляет об этом.

Платформа «МегаФон Экология» задействована в таких городах как Великий Новгород, Дзержинск, Калининград, Калуга, Нижний Новгород, Ноябрьск, Саратов, Глазов, а также в Республиках Коми, Удмуртии.

Данная платформа измеряет: оксид азота, диоксид азота, аммиак, диоксиды серы, оксиды углерода, сероводород, озон, формальдегиды, аэрозольные частицы (РМ10 и РМ2,5) [3].

Платформу «МегаФон Экология» внедряют в вышки сотовой связи (рис.1).

Рис. 1. Карта постов «Мегафон Экология»

Контроль воздуха «Газпром добыча Астрахань». Добыча сероводородсодержащего природного газа ООО «Газпром добыча Астрахань» сопряжена с выбросами загрязняющих веществ (пластовый газ, в состав которого входит до 25 % сероводорода).

В целях контроля атмосферного воздуха проектными решениями предусмотрены посты на Астраханском газовом комплексе (АГК). Они проводят следующие мероприятия: все технологические процессы по добыче сырья были модернизированы до производства в закрытых системах, сокращают объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Проектные решения предусмотрены для расширения и реконструкции объектов промысла с целью увеличения мощностей по добыче газа, экологической безопасности производства с сохранением допустимого уровня воздействия на окружающую среду.

На предприятии действует одна из первых в России комплексная автоматизированная система контроля загрязнения воздуха.

НПО «Тайфун» — один из ведущих российских государственных научно-исследовательских и производственных центров в области метеорологии атмосферы. Центр расположен в городе Обнинск Калужской области. Одно из учреждений Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромета).

Научное объединение создало станцию контроля загрязнения атмосферного воздуха МР-28. Станция контроля атмосферного воздуха автоматическая МР-28 является многоканальным средством измерения, предназначенным для непрерывного контроля загрязнения слоя атмосферного воздуха. Станция представляет собой блочно-модульную конструкцию: павильон с системой жизнеобеспечения, устройства отбора проб на газовые примеси, сертифицированные средства измерения параметров загрязнения с отправкой информации, вспомогательное оборудование (рис.2) [4].

Станция МР-28 может быть использована в составе наблюдательной сети Росгидромета, на крупных промышленных предприятиях и других объектах, передавая накопленную информацию в аппаратно-программный комплекс обработки данных (АПК).

Рис. 2. Станция экологического мониторинга МР-28

Станция выполняет такие функции как: непрерывное измерение концентраций загрязняющих веществ (СО, NO, NO2, SO2, О3) в атмосферном воздухе, обеспечивает при этом подогрев анализируемого воздуха в газовой магистрали, непрерывное измерение концентрации взвешенных веществ с диаметром частиц (РМ2,5) и (РМ10), непрерывное автоматическое измерение основных метеорологических величин, выявление превышения ПДК (предельно допустимая концентрация), непрерывное измерение мощности амбиентного эквивалента гамма-излучения, передача результатов обработки по запросу АПК по различным каналам связи.

Мобильная экологическая лаборатория для анализа атмосферного воздуха (МЭЛ-А). МЭЛ-А задействуется для обеспечения экспедиционных обследований загрязнения атмосферного воздуха (рис.3).

Рис. 3. Мобильная экологическая лаборатория для анализа атмосферного воздуха (МЭЛ-А)

Основные функции: автоматическое измерение массовых концентраций примесей загрязняющих веществ в атмосферном воздухе (оксид азота, диоксид азота, аммиак, оксид углерода, диоксид серы); обработка и хранение информации; передача информации по телефонным линиям.

Посты экологического мониторинга СкуА1г. Цели мониторинга: обеспечение администрации региона, руководителей промышленных предприятий и образовательных организаций информацией, необходимой для принятия управленческих решений, сбор, хранение и анализ данных о качестве воздуха в населённых пунктах области для решения задач городского планирования, маркетинга территории, развития туризма, оперативное информирование жителей, формирование сознательного отношения граждан к охране окружающей среды.

Данные станции уже установлены в таких городах России как Братск, Красноярск, Липецк, Магнитогорск, Медногорск, Нижний Тагил, Новокузнецк, Норильск, Омск, Челябинск, Череповец и Чита (рис.4).

Данный пост измеряет: Взвешенные вещества (РМ2.5 и РМ10), газы (СО, N02, 03, S02, H2S) (рис.5).

Как контролируют качество воздуха в Москве

За последние годы воздух в Москве стал заметно чище. Жалобы от жителей города на его загрязнение поступают все реже. Во многом это результат контроля автоматических станций, которые круглосуточно анализируют состояние воздуха более чем по 20 параметрам. Корреспондентам «РГ» удалось побывать на обновленной станции «Мосэкомониторинга», работающей между Третьим транспортным кольцом и Комсомольским проспектом.

Недавно ее реконструировали. Снаружи ее теперь украшает антивандальное покрытие, внутри — технологичная «начинка», которая позволяет заметить малейшие изменения в атмосфере. «Место для станции выбрано не случайно — ведь именно автотранспорт в Москве — основной источник выбросов в атмосферу, — рассказал Евгений Никитич, замдиректора «Мосэкомониторинга». — Качество воздуха в столице становится лучше: за последние пять лет концентрация диоксида серы снизилась 4 раза, а диоксида азота — в 1,1 раза. Эти показатели мы контролируем с помощью новейших газоанализаторов. Всего станция отслеживает 14 показателей: по оксиду и диоксиду азота, оксиду углерода, диоксиду серы, приземному озону, сероводороду, метану, стиролу, бензолу, нафталину, формальдегиду, толуолу, фенолу, а также взвешенным частицам РМ2,5″.

В городе установлено 56 автоматических станций контроля загрязнения атмосферы и имеются три передвижные экологические лаборатории. До конца года часть станций — 13 — будут обновлены. На них появятся приборы, которые позволят контролировать концентрацию мелких взвешенных частиц размером до 10 микрон — веществ, наиболее интересующих москвичей, потому что они являются основным индикатором появления неприятного запаха в городе.

Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Согласно оценкам выполненных специалистами [2] для некоторых регионов России, экономический ущерб от воздействия загрязненного атмосферного воздуха на здоровье населения (смертность и заболеваемость) составил в 2002 году: в Екатеринбургской и Челябинской области 8% валового регионального продукта (ВРП), что выше темпов роста этого показателя; в Республике Башкортостан — 7% ВРП и 6% ВРП — в Нижегородской области. Экономический ущерб только от детской астмы, вызванной загрязнённым атмосферным воздухом, составляет в нашей стране 11−15 миллиардов рублей в год.

Рис. 1. Структура программно-аппаратного комплекса «СКАТ-РД»

В целом для страны экономический ущерб в результате негативного воздействия загрязненной окружающей среды на здоровье населения находится в диапазоне 3,1−5,8% от ВВП, то есть превышает бюджет на здравоохранение и охрану окружающей среды.

Кроме того, до 95% суммарных издержек обусловлены смертностью, вызванной загрязнением атмосферного воздуха [2]. В США и странах ЕС для снижения экономического ущерба от загрязненного воздуха эффективно применяются системы управления качеством атмосферного воздуха.

Станции мониторинга загрязнения атмосферы являются важным звеном системы управления качеством воздуха, средством измерений, предоставляющим практическую информацию для принятия управленческих решений. Неудивительно, что от уровня оснащения станций мониторинга, их аппаратного и программного обеспечения зависит эффективность системы в целом. Спрос на современное аналитическое оборудование для экологического мониторинга в мире достаточно велик и продолжает нарастать, несмотря на наметившийся в последние годы промышленный экономический спад.

Российский рынок аналитического оборудования и систем на их основе сегодня представлен несколькими приборостроительными компаниями и компаниями — интеграторами. Российское приборостроительное предприятие ОПТЭК является одним из крупнейших производителей отечественных средств измерений для задач атмосферного мониторинга, включая отдельные приборы и измерительные комплексы — станции мониторинга, системы на их основе.

В конце 90-х годов, в связи с началом создания национальной Российской системы управления качеством воздуха, на предприятии ОПТЭК была разработана концепция автоматических станций контроля качества атмосферы «Измерительных комплексов СКАТ», предусматривающая комплексное решение проблемы мониторинга, включая аппаратное и программное обеспечение, организационные мероприятия. В концепции решены вопросы метрологического обеспечения, сбора, обработки, сохранения и передачи данных в необходимом формате. Измерительный комплекс «СКАТ» предназначен для:

1. непрерывного автоматического измерения массовой концентрации:

— метастабильного формы (синглетного) кислорода,

— оксида углерода (СО),

— оксида азота (NO),

— диоксида углерода (CO₂),

— суммы углеводородов (CH) в пересчете на метан,

— суммы углеводородов за вычетом метана (НСН),

— аэрозольных частиц (пыли) в атмосферном воздухе;

2. сбора, регистрации, обработки, визуализации и хранения полученных данных;

3. передачи по запросу накопленной информации на внешний удаленный компьютер по проводным и беспроводным каналам связи (телефонные, GSM-каналы, LAN и Интернет).

Основу измерительного комплекса составляют разработанные на предприятии автоматические приборы-газоанализаторы, сертифицированные в установленном порядке Государственным комитетом по техническому регулированию России, Госстандарта Республики Казахстан, Украины и Беларуси. Анализаторы подключены к системе пробоотбора на базе зондов, прошедших экологическую экспертизу в главном методическом Федеральном центре Росгидромета РФ — Главной Геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова, и допущенных для применения во всех климатических поясах РФ и других стран Содружества.

Приборы атмосферного мониторинга — автоматические анализаторы с непрерывным режимом работы, позволяющие получать непрерывные, достоверные ряды значений контролируемых параметров, что является одним из основных критериев для систем мониторинга.

Большая часть газоанализаторов, используемых в составе СКАТ, построены на основе метода гетерогенной хемилюминесценции. Селективность, высокая чувствительность — характерные особенности этого уникального метода анализа. На предприятии удалось реализовать принцип гетерогенной хемилюминесценции в приборах-газоанализаторах, уже как на объектах промышленной эксплуатации, для задач атмосферного мониторинга. Хемилюминесцентные анализаторы — не единственная серия приборов атмосферного мониторинга, применяемая на станциях. Газоанализаторы с электрохимическим и оптическим принципом действия также входят в номенклатуру продукции в составе СКАТ. Соответствующие средства измерения предлагаются для контроля основных атмосферных загрязнителей — озона (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор 3.02 П-А, оптический анализатор Ф-105); синглетного кислорода — (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор мод. 102), оксидов азота (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор Р-310А, гомогенный хемилюминесцентный анализатор Р-105); диоксида серы (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор С-310А, флуоресцентный анализатор С-105); сероводорода (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор СВ-320А); аммиака (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор Н-320); оксида углерода (электрохимический анализатор К-100), формальдегида (фотометрический комплекс ФОРТ-301), двуокиси углерода (оптический NDIR (не дисперсионный инфракрасный метод определения) анализатор ОПТОГАЗ-500.4).

Электрохимические и NDIR-оптические анализаторы разработаны на базе сенсоров (модулей-бенч) производителей OEM компонентов, (City Technology, Andros, Sensor Europe). Характерной особенностью приборов-анализаторов для атмосферного мониторинга является наличие встроенной памяти с генерацией отчетов в формате ТЗА-4, аналогового и цифрового (RS-232) выходов и выхода RS-485 с протоколом Modbus. Функции сбора, обработки и хранения информации на станциях СКАТ осуществляет программно-аппаратный комплекс ПАК-8816, разработанный специально для задач мониторинга на базе промышленных компьютерных платформ ADVANTECH ARK-1123 (мобильная версия) и ADVANTECH IPC-510MB. Специальное программное обеспечение установлено на операционную систему Windows Pro 10. Передача результатов измерения в центр приема информации может быть осуществлена любым из доступных способов: по телефонным линиям, через сотовую связь, сеть или по радио.

Современная базовая версия ПАК-8816 разработана в 2008 году и суммирует в себе опыт, накопленный в этой области за предыдущие годы. ПАК-8816 — национальная Российская разработка, пришедшая на смену менее надежному импортному аналогу, ранее применявшемуся в составе станций атмосферного мониторинга. Необходимость появления подобной системы была предопределена особенностями существующих национальных энергетических и информационных сетей, применяемых на территориях стран содружества Восточной Европы. К особенностям сетей можно отнести значительный диапазон изменения напряжений в сети переменного тока, плавающая частота переменного тока, возможные периоды прерывания подачи электроэнергии на объекты промышленного и социального назначения. Структура программно-аппаратного комплекса «СКАТ-РД» представлена на Рис.1. К преимуществам ПАК-8816 относятся его следующие особенности:

Рис. 1. Структура программно-аппаратного комплекса «СКАТ-РД»

Возможность гибкого использования различных сочетаний каналов связи между уровнями (проводные и беспроводные).

Поддержка одновременной работы большого количества пользователей.

Обработка и представление данных от нескольких автономных регистраторов данных (Data Loggers).

ПАК-8816 основан на промышленных стандартах: OPC, Modbus, RS-232, RS-485.

Система сбора данных масштабируется до 247 устройств, протяженность сети RS-485 достигает 1200 м, (с применением повторителей может быть еще увеличена).

Универсальность. Система сбора данных (в зависимости от используемых модулей) способна снимать показания с различных типов датчиков: аналоговые входы по току и напряжению, термопары, терморезисторы и прочее в любых комбинациях.

Пользовательский web-интерфейс позволяет просматривать данные, не прибегая к установке дополнительного ПО (программного обеспечения) на рабочем терминале.

Графическое представление данных (2-х и 3-х мерные графики, роза ветров, роза концентраций).

Формирование отчетов и их экспорт в формат Microsoft Excel, HTML, PNG.

Механизм оперативного оповещения оператора об аварийных ситуациях.

Возможность дистанционного выполнения градуировки измерительных каналов комплекса с целью идентификации данных по критерию достоверности.

Специальный блок в составе программного обеспечения позволяет строить розу концентраций в точке расположения станции атмосферного мониторинга. Копия экрана с розой концентраций показана на Рис.2.

Рис. 2. Web-интерфейс пользователя. Пример розы концентраций примесей атмосферного воздуха

Станция атмосферного мониторинга, как компонент системы, содержит метеокомплекс с датчиками давления и влажности воздуха, температуры, уровня осадков, направления и скорости ветра. Следует отметить, что для задач атмосферного мониторинга важнейшими каналами метеорологической информации являются направление и скорость ветра. Именно эти каналы позволяют в текущем режиме не только получать оперативную информацию на данный момент времени, но и смоделировать процессы адвекции примесей атмосферного воздуха в краткосрочном прогнозе, дать качественную перспективу возможных тенденций изменения климата.

Применение Сервера объединения и хранения данных со специализированным ПО позволяет построить, а в дальнейшем и масштабировать Систему станций атмосферного мониторинга воздуха.

Начиная с 2004 года, Российское предприятие ОПТЭК создает собственную Систему (сеть) автоматических станций атмосферного мониторинга с целью испытания новых средств измерения, отработки новых аналитических методов и технологий, а также для учебных и научно-исследовательских задач. В настоящее время на территории Восточной Европы находится в эксплуатации Система станций мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, содержащей 7 постов на базе измерительных комплексов «СКАТ». Информация от средств измерений обрабатывается с помощью программно-аппаратного комплекса ПАК-8816.

Рис. 3. Расположение автоматических станций мониторинга атмосферного воздуха на территории России

Для лучшего понимания работы станции «СКАТ» предприятие ОПТЭК организовало и обеспечивает демонстрационный доступ к серверу существующей сети в Санкт-Петербурге. ПАК-8816 имеет простой и интуитивно-понятный интерфейс. По этой причине, работа с демонстрационной версией не требует специального обучения у удаленного пользователя. На практике увидеть работу станции «СКАТ» и ее программно-аппаратного комплекса может любой желающий, перейдя по ссылке.

Рис. 4. Расположение автоматических станций мониторинга атмосферного воздуха на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области

Имея свой отдельный IP-адрес, станция или Система станций постоянно могут быть доступны через Интернет-соединение по установленному паролю потребителю в сети. Данные можно просмотреть в табличном или графическом виде, в формате ТЗА-4 (специальный формат, разработанный для задач атмосферного мониторинга представлен на Рис.5). Каждый факт превышения установленных граничных значений отражается в виде всплывающих сообщений и сохраняется в отдельном файле.

Рис. 5. Образцы отчетов, предоставляемые пользователю станции «СКАТ»

Измерительные комплексы «СКАТ» могут быть развернуты на базе различных объектов для размещения оборудования: стационарных павильонов, передвижных лабораторий, всепогодных шкафов, транспортируемых трейлеров, экологических катеров, оборудованных сплит-системами и источниками бесперебойного питания, стойками для размещения оборудования, рабочим местом оператора. Все перечисленные системы уже нашли свое практическое применение. В стационарных павильонах устанавливается также охранная и пожарная сигнализация, сигнализация отключения питания.

Система станция «СКАТ» подключается к серверному компьютеру, на котором установлено специальное программное обеспечении ПАК-8816. Диагностический доступ на серверный компьютер позволяет специалистам предприятия тестировать работу аналитического оборудования, осуществлять при необходимости переконфигурирование каналов измерений, производить обновление ПО на актуальные версии.

В рамках научно-технического сотрудничества между Институтом общей физики им.А.М.Прохорова РАН (РФ), предприятием ОПТЭК (РФ), комплекс с каналами измерения оксидов азота, окиси углерода и озона был установлен также в г. Вятские Поляны (Россия), в п. Громово на Карельском перешейке Ленинградской области (Россия) и на нескольких станциях с аналогичными каналами измерения на территории Санкт-Петербурга [1]. На Рис.3 показана электронная карта с расположением станций мониторинга, а на Рис.6 показана копия экрана в момент обращения оператора к станции мониторинга «Вятские Поляны» при наведении курсора и одного клика мыши.

Рис. 6. Копия экрана в момент обращения оператора к станции мониторинга «Вятские Поляны»

Возможности работы системы мониторинга загрязнения атмосферного воздуха могут быть проиллюстрированы на примере контроля за изменчивостью синглетного метастабильного кислорода в нижней атмосфере и его влияния на вероятные процессы разрушения озона. До последнего времени в научной литературе эффективность канала стока озона по гомогенной реакции

O₃ + O₂ (¹∆_g)à 2O₂ + O ( 3 P)

оценивалась, как крайне незначительная. Это предопределяло известное значение константы скорости реакции к=4,4×10 -15 см 3 /(молекула∙с) и концентрации O₂(¹∆_g) в тропосфере, не превышающее 10 7 молекул/см -3 . В то же время, концентрация O₂(¹∆_g) в атмосфере на высотах порядка 50 км оценивается на уровне 4∙10 10 молекул/см -3 , [5]. Некоторое время назад [4], в лабораторных условиях было обнаружено, что метастабильный кислород в состоянии O₂(¹∆_g) мог быть образован в результате фотокаталитических реакций на поверхности снега и микрокристалликов льда. Данные полученные нами в натурном эксперименте показали, что концентрация метастабильного кислорода в нижней тропосфере в Санкт-Петербурге в зимний период может существенно превышать значение 10 7 молекул/см -3 . Так, в период с 5 по 19 января 2016 года, когда наблюдался период смены антициклонального типа погоды на циклональный в атмосфере сформировалась температурная инверсия. Такие явления хорошо контролируются по аномальному накоплению в нижней тропосфере таких загрязнителей, как окислы азота и оксид углерода, смотри Рис.7.

Рис. 7. Накопление диоксида азота в период наблюдаемых инверсий температуры в атмосфере

В период с 12-го по 15-е января на поверхности снега при относительно высокой солнечной активности (антициклон) наблюдается концентрация синглетного кислорода на уровне 10 11 молекул/см -3 (см. Рис.8).

Рис. 8. Образование метастабильных молекул кислорода (озона и синглетного кислорода) в период наблюдаемых инверсий температуры в атмосфере

Это значение, как минимум на 3…4 порядка превышает ранее известные концентрации синглетного кислорода в нижней тропосфере. Это позволяет предположить существенные сток концентрации озона в приземном слое по реакции

O₃ + O₂ (¹∆_g)à 2O₂ + O ( 3 P)

Представляет интерес и возможность контроля за процессами формирования и разрушения озоновых «дыр», которые проявляют себя по изменению спектрального состава солнечного излучения падающего на поверхность земли. Уменьшение количества молекул озона в зоне формирующейся «озоновой дыры» сопровождается увеличением ультрафиолетовой (фотохимически активной) компоненты солнечного излучения. Это, вероятно, и обеспечивает фотокаталитический синтез синглетного кислорода на поверхности снега и ледяных кристаллов, (см. Рис.9).

Рис. 9. Наблюдение формирования «озоновой дыры» через отношение приземных концентраций синглетного кислорода и озона

На Рис.10 представлена эволюция формирования и разрушения «Озоновой дыры» в январе 2016 года над территорией России в период Данные получены с канадского сайта сайта.

Рис. 10. Эволюция формирования и разрушения «озоновой дыры» в январе 2016 года над территорией России

Таким образом, результаты натурного эксперимента демонстрируют, что:

1. Система мониторинга загрязнения атмосферного воздуха может выступать эффективным инструментом исследования процессов в атмосфере, процессов связанных с загрязнением атмосферного воздуха, контроля за возможным изменением климата.

2. Система способна осуществлять контроль за процессами в атмосферном воздухе и на региональном уровне. Так, в условиях температурной инверсии в нижней тропосфере (в январе 2016 года, в Санкт-Петербурге часто наблюдался антициклональный тип погоды, характерная ситуация образования приземного смога) на поверхности ледяных кристаллов и снега, обнаружено накопление концентрации синглетного кислорода на уровне 5…6 мкг/м 3 . Известно, что источником O₂ (¹∆_g) могут быть:

O₃ + hv àO₂ (¹∆_g) + O ( 1 D)

— процессы переноса энергии от некоторых органических (и неорганических) молекул в триплетном состоянии:

A (S₀) + hv àA (S₁) àA (T₁), A (T₁) + ᵌO₂ àA (S₀) + O₂ (¹∆_g),

в том числе, ПАВ адсорбированные на поверхности частиц полупроводников способны передавать энергию возбужденного состояния молекулам ᵌO₂ с образованием O₂ (¹∆_g). Выявленное обстоятельство может существенно изменить наши представления о трансформации загрязняющих веществ в атмосфере.

3. В условиях значительной величины удельной поверхности льда в ПСО-полярных стратосферных облаках вероятно гетерогенное фотокаталитическое образование синглетного кислорода, потенциально способного выступать важным каналом разрушения озона в атмосфере. Данное предположение не противоречит известным циклам стока озона, поскольку вещества органического и неорганического происхождения будучи в состоянии фотохимического активированного адсорбционного комплекса на поверхности льда способны обеспечить каталитическую активацию химических реакций, которые не могут быть реализованы в газофазных условиях. Процесс вероятного разрушения озона в нижней тропосфере связанный с метастабильным состоянием молекулярного кислорода может быть соотнесен с реакцией:

O₃ + O₂ (¹∆_g) à 2O₂ + O ( 3 P)

1. Звягинцев А.М., Котельников С.Н., Челибанов В.П. и др. Содержание озона над территорией Российской Федерации в 2012 г. // Метеорология и гидрология. 2013. № 2. С. 121−127.

2. Сидоренко В.Н. Моделирование и экономическая оценка ущерба здоровью населения регионов России от загрязнения атмосферного воздуха // Вестник Сам. ГУ — Естественнонаучная серия. 2006. №9(49) С. 270−276.

3. Сысоева Т.И., Петкун А.С., Кучин В.А., Челибанов В.П. Результаты десятилетних измерений ряда параметров атмосферы Антарктики на привязных аэростатах // Известия РАН, СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2016, Том 80, No 5, стр. 600−603.

5. Челибанов В.П. Природный источник образования активных форм кислорода // Сб. трудов VII Международной Конф., «Естественные и антропогенные аэрозоли», 28 сент. — 2 окт. 2010 г., стр. 584−593.

6. Исидоров В.А. Экологическая химия. Уч. Пособие — СПб.: Химиздат, 2001. — 304 с.

Технология приёма данных дистанционного зондирования с искусственных спутников Земли с использованием приемной станции УНИСКАН-24.

УниСкан-24 – разработанная ИТЦ «СканЭкс» наземная приемная станция Х-диапазона (8 ГГц), предназначенная для приема и обработки данных с полярно-орбитальных спутников дистанционного зондирования Земли. Она позволяет принимать в реальном времени материалы космической съемки земной поверхности в радиусе около 2500 км от станции (площадь около 12 млн. кв. км).

Станция позволяет принимать данные с ряда спутников, в том числе, Terra и Aqua (без какой-либо лицензии), IRS, SPOT, EROS, Монитор-Э и др. (с оплатой лицензий, и выполнением съемки и сбросом данных по заказу).

Основными компонентами станции УниСкан-24, обслуживаемой Ресурсным центром космических и геоинформационных технологий, далее Станция, являются антенная система, приемник, программное обеспечение.

Станция имеет двухосное опорно-поворотное устройство (ОПУ) с двумя горизонтальными осями вращения, которые исключают наличие мертвых зон на высоких углах. Однако в направлении нижней оси вращения, на горизонте, есть особые точки. Сопровождение через окрестности этих точек может оказаться невозможным, но это касается только очень малых углов места – ниже 5 градусов. ОПУ может работать как в режиме программного сопровождения (следуя расчетной траектории спутника) так и в режиме автосопровождения (используя информацию об уровне принимаемого сигнала для коррекции траектории). Параметры приемников могут перестраиваться в широком диапазоне для приема данных с разных спутников. Станция оборудована приемниками для приема данных со спутников SPOT 4 (инструменты HRVIRMONO и HRVIRXS), SPOT5 (HRGPAN и HRGXS), EROS A (PAN), TERRA (MODIS), AQUA (MODIS), RADARSAT-1 (SAR).

Программное обеспечение (ПО) станции содержит все средства для ручного управления и настройки станции, составления расписания ее работы и автоматического исполнения расписания. Управление станцией осуществляется только с помощью программного обеспечения.

Основные технические характеристики станции:

— диапазон несущих частот сигнала – 8050-8400 МГц;
— максимальный темп приема – 170 Мбит/с;
— тип ОПУ – 2-осное (X — Y);
— вес системы – 320;
— скорость ветра, рабочая – 20 м/с;
— скорость ветра, максимальная – 40 м/с;
— диапазон рабочих температур антенной системы – от -50 до +50 °C;
— диапазон рабочих температур для узлов, расположенных в помещении – от +10 до +40 °С;
— первичное электропитание – 220 В, 50/60 Гц;
— максимальное энергопотребление – 500 Вт.

Минимальные углы места приема данных со спутников:

— TERRA (DB), AQUA (DB) – 5°;
— ENVISAT (ASAR) – 8°;
— EROS-A1, EROS-B – 5°;
— IRS-P5, IRS-P6 – 15°;
— CARTOSAT-2 – 8°;
— LANDSAT 5 – 5°;
— RADARSAT-1 – 8°;
— RADARSAT-2 – 5°;
— SPOT 4, SPOT 5 – 5°;
— COSMO-SKYMED-1, 2, 3 – 10°;
— TERRASAR-X – 15°.

Антенная система подразделяется на следующие узлы:

— антенна (рефлектор и облучатель);
— МШУ (малошумящий усилитель) и 1-й преобразователь частоты;
— ОПУ;
— система управления.

Рис. 1 Общий вид антенной системы.

Характеристики рефлектора и облучателя:

— тип рефлектора — сплошной;
— диаметр рефлектора 2.4 м;
— поляризация правая круговая.

МШУ и 1-й преобразователь частоты аппаратно объединены в один блок (МШПР), который устанавливается непосредственно на облучателе антенны. Сигнал со спутника, принятый антенной, усиленный МШУ и преобразованный в диапазон 900 — 1400 МГц, передается по ВЧ кабелю через модуль разветвителя на вход приемников.

— тип редуктора – шестеренчато-волновой;
— количество осей вращения – 2;
— кинематическая схема X – Y;
— диапазон углов поворота по углу места – от 0° до 180°;
— диапазон углов поворота по наклону (относительно зенита) – от -90° до 90°;
— максимальная скорость вращения – не менее 2.5 °/с;
— абсолютная статическая ошибка позиционирования – не более 20′;
— динамическая ошибка сопровождения при углах места цели более 5° – не более 4′;
— интерфейс связи с ПК – подчиненное устройство на шине PCI 32 бит.

Текущее положение антенны измеряется датчиками угла поворота ОПУ по каждой оси вращения. Выходные сигналы датчиков передаются последовательным кодом в лабораторный блок управления, где они преобразуются в параллельный код. Процессор управления антенной периодически читает из блока управления коды положения и скорости антенны, сравнивает их с расчетным целеуказанием, генерирует коды управления и записывает их в блок. Там они преобразуются в аналоговое широтно-импульсно модулированное напряжение управления, которое подается на двигатели ОПУ.

Интерфейс управления антенной, приемник и пользовательский интерфейс управления системой размещены на компьютерах подключённых к локальной сети.

Приемник – это одна плата расширения на шине PCI, которая обеспечивает все функции обработки сигнала от демодуляции до ввода в память ПК. Шина используется как для управления приемником, так и для ввода данных. Антенная система Станции управляется от ПК через плату.

Рис. 3 Корпус компьютера с установренной в нём платой приёмника (слева) и плата приёмника (справа).

Все остальные электронные устройства управления антенной (вторичные источники питания, преобразователи, усилители мощности) размещаются в блоке управления, который размещён в 19-дюймовом корпусе высотой 6U. В этом же блоке размещается разветвитель сигнала. Блок управления размещен в серверной стойке.

Рис. 4 Общий вид серверной стойки с управляющими компьютерами и блоком управлений антенной.

Рис. 5 Блок управления антенной.

— ПК: плоским кабелем 2 м (PCI-интерфейс);
— ОПУ: кабелем управления, кабелем питания и ВЧ кабелем, длина каждого из которых составляет 50 м;
— приемником: ВЧ кабелями длиной 5 м.

Рис. 6 Подключение блока управления антенной.

Система управления может работать в двух режимах: программного сопровождения и автосопровождения. Основным является режим автосопровождения, т.е. автоматической коррекции целеуказания по уровню принимаемого сигнала. Поиск максимального уровня сигнала выполняется методом step-tracking: путем последовательного отклонения всей антенны от расчетного положения в различных направлениях дискретными шагами.

В антенной системе нет собственного измерителя уровня сигнала – информацию об уровне она получает от приемника станции (любого по выбору) через ПО управления станцией.

Аппаратная часть приемника представляет собой одну плату расширения ПК. Она объединяет в себе преобразователь частоты с управляемым гетеродином, демодулятор, декодер, преобразователь цифрового сигнала в данные байтового формата, интерфейс ввода данных в память ПК. Под управлением программы, исполняемой на ПК, в плате приемника выполняется надлежащее выравнивание потока (кадровая синхронизация). Та же программа записывает данные из памяти ПК в файл на диске.

Плата устанавливается на шине PCI. По этой шине выполняется и управление платой, и ввод данных в память ПК. Цифровые сигналы данных и тактовой частоты выводятся также на разъем, расположенный на задней панели платы, главным образом для контрольных и отладочных функций.

Из программы управления устанавливаются следующие параметры приемника: тип модуляции, несущая частота, тактовая частота, усиление, параметры декодирования и укладки данных.

Доступны для чтения программой управления следующие параметры состояния приемника: признак захвата сигнала, измеренные частоты сигнала (несущая и тактовая), уровень автоматической регулировки усиления, уровни сигнала до и после согласованной фильтрации. Кроме того, доступны мгновенные выборки квадратурных составляющих сигнала на выходе фазового детектора. Это позволяет выполнять спектральный анализ сигнала, получать гистограмму распределения фазы и амплитуды сигнала, определять отношение сигнал/шум.

Программное обеспечение Станции состоит из пакетов UniScan Control Package и ScanReceiver.

UniScan Control Package обеспечивает все функции, необходимые при ее оперативном использовании.

ScanReceiver – приложение предназначенное для управления Cтанцией, контроля функционирования станции и оперативного приема данных.

Основные функции приложения:

— проверка функционирования аппаратной части станции;
— расчет расписания сеансов прохождения спутников через зону видимости станции;
— автоматическая активизация станции в соответствии с расписанием;
— расчет траекторий спутников и управление антенной системой для сопровождения;
— автоматическая коррекция сопровождения по уровню входного сигнала;
— форматирование демодулированного информационного потока и запись его на жесткий диск;
— непрерывная индикация текущего состояния комплекса и информационного потока (время, объем записанных данных, объем свободного дискового пространства, состояние тактовой и кадровой синхронизации, текущее положение антенны, ошибки сопровождения).

Функции оперативного приема полностью автоматизированы, задачи оператора сводятся к планированию и общему надзору.

Расчет траектории спутников и расписания приема предполагает формирование расписания сеансов приема (прохождения спутников через зону видимости), а также автоматический расчёт целеуказания для наведения антенны на спутник в процессе приема. Рассчитанное на заданный интервал времени расписание отображается в окне приложения, может быть исправлено путем удаления ненужных сеансов и сохранено в текстовом файле.

Рис. 7 ScanReceiver, расписание сбросов.

Исходными данными для баллистических расчетов в программе являются орбитальные данные спутников в формате NORAD TLE, которые свободно распространяются в сети Интернет.

Все операции по управлению станцией, кроме включения общего питания, выполняются программно (по командам оператора или автоматически):

— переключение режимов работы;
— инициализацию программируемых аппаратных модулей в конфигурации, необходимой для приема конкретного типа данных;
— управление движением антенны при сопровождении спутников;
— управление электронными компонентами станции (демодуляторами, источниками питания, интерфейсными устройствами).

В многооконном пользовательском интерфейсе наглядно отображается текущая информация о состоянии станции. Это позволяет оператору контролировать:

— параметры конфигурации и текущий режим работы приемного комплекса;
— характеристики принимаемого цифрового потока (скорость, состояние синхронизации, количество ошибок декодирования данных, объем записанной информации);
— текущее положение антенны, его отклонение от целеуказания и другие параметры движения антенны.

Рис. 8 ScanReceiver, журнал сопровождения.

Рис. 9 ScanReceiver, карта положения спутника и охвата съёмки в момент сопровождения.

В процессе приема в одном из окон приложения выводятся в виде изображения данные одного из спектральных каналов, что дает визуальное представление о качестве приема. Ряд измеряемых параметров отображается в графической форме в других окнах, а также может записываться в файлы для последующего просмотра и анализа.

ScanReceiver поддерживает ввод, контроль синхронизации, необходимое декодирование и запись цифрового потока на жесткий диск. Файлы данных могут сопровождаться дополнительной информацией (имя спутника, время приема, орбитальные данные, координаты станции).

Подготовлено по материалам технического отчёта 12.1.1

Ресурсного центра космических и геоинформационных технологий

(ТО 12.1.1 Изготовление тематических продуктов по материалам съёмки MODIS)