В настоящее время существует проблема защиты окружающей среды от загрязнения ее токсичными компонентами отработавших газов всех видов транспорта, успешное решение которой во многом зависит от организации непрерывного контроля за состоянием приземного слоя атмосферы, в частности, ее нижней части [9].
К числу основных токсичных веществ, выделяемых с отработавшими газами, относятся: окись углерода (91,5 %), углеводороды (4,6 %), окислы азота (3,1 %), свинец (0,1 %), сажа (0,2 %) и др. [9]. Применяемые технологии прямого забора химических проб в исследуемых пространствах обладают высокой точностью, но достаточно дорогостоящие, носят точечный характер и дискретны во времени.
Целью работы является разработка системы контроля антропогенных веществ, использующей сведения о вертикальном распределении гидрометеорологических величин в нижней части приземного слоя атмосферы, а также разработка устройства и его техническая реализация.
При исследовании быстротекущих процессов организация экологической безопасности требует непрерывного контроля токсичного компонента. Очевидно, что себестоимость такого контроля должна быть минимальной. Данным требованиям отвечают технологии косвенных оценок, например, оптические методы исследования нижней части приземного слоя атмосферы. В качестве источника информации об оптических свойствах исследуемого слоя атмосферы может служить показатель преломления, величина которого рассчитывается с использованием известного соотношения [7]:
(1)
где р1 – парциальное давление сухого воздуха, мб; е – парциальное давление водяного пара, мб; Т – абсолютная температура, К; К1…К3 – коэффициенты пропорциональности.
Различия в значениях показателя преломления атмосферы приводят к искривлениям траектории зондирующего оптического сигнала на наклонной трассе при углах, близких к 90° [4]. Последнее представляет вполне конкретный практический интерес, поскольку несет информацию как о вертикальном профиле гидрометеорологических величин, так и о величине антропогенного загрязнения.
Данные о величине градиентов показателя преломления позволяют высказать предположение о том, что на уровне математического представления структура нижней части приземного слоя атмосферы может быть представлена как плоско-слоистая среда с некоторыми постоянными среднестатистическими значениями показателя преломления атмосферы при синоптических условиях, когда турбулентность минимальна, а факторы, ухудшающие видимость, отсутствуют.
Структуру нижней части приземного слоя атмосферы можно представить в виде плоско-слоистой среды, где необходимо выделить границу раздела соседних слоев с различными значениями показателя преломления. Вертикальный профиль показателя преломления n0, …, ni определяется гидрометеорологическими величинами [3] на соответствующих уровнях. Траектория прохождения оптического сигнала c уровня n0 до уровня с ni по наклонной трассе может быть охарактеризована горизонтальной проекцией S.
Поведение траектории зондирующего оптического сигнала определяется вертикальным профилем показателя преломления, и в случае n0 = ni, n0 < ni, n0 > ni траектория имеет соответственно вид 1, 2, 3 (рис. 1).
Рис. 1. Структура нижней части приземного слоя атмосферы
Из курса общей физики известно, что при прохождении зондирующего оптического сигнала границы раздела слоев с различными показателями преломления справедливо соотношение [8]:
(2)
где n0, n1 – показатели преломления на границе раздела двух сред; y0, y1 – угол падения и преломленный угол зондирующего оптического сигнала.
Горизонтальная проекция траектории зондирующего оптического сигнала (Siтек) может быть рассчитана с помощью выражения следующего вида [2]:
(3)
где 
Данное выражение позволяет оценить влияние вертикального профиля гидрометеорологических величин на поведение траектории 1 (рис. 1) в приземном слое атмосферы при отсутствии факторов, ухудшающих видимость.
С практической точки зрения представляет интерес решение обратной задачи – восстановление показателя преломления на любом интересующем потребителя уровне по данным о горизонтальной проекции траектории (Sтек) и показателя преломления на верхнем (n0) уровне (рис. 1), которая может быть реализована на основе решения (3).
Кривизна траектории АВ (рис. 2) обусловлена изменением вертикального профиля показателя преломления атмосферы и связана с изменением угла (yi-1) на величину угла рефракции (a).
Рис. 2. Прохождение оптического сигнала нижней части приземного слоя атмосферы
Радиус кривизны дуги АВ определяется известным соотношением [1]:
(4)
где R = О′А– радиус кривизны; 
– хорда АВ; a – угол между радиусами О′А и О′В, равный величине угла рефракции, 
и получено из треугольников АДВ и АДС.
Проведя несложные математические преобразования, показатель преломления атмосферы в i-м слое можно представить в следующем виде:
. (5)
Данная модель справедлива для атмосферы, содержащей водяной пар. Реальный газовый состав приземного слоя содержит токсичные компоненты, вносимые различными видами транспорта. Поэтому для полной характеристики приземного слоя необходимо произвести их учет.
В соответствии с законом Дальтона показатель преломления реальной атмосферы может быть получен с помощью выражения [2]
(6)
где рСО … рNO – парциальные давления токсичных компонентов, мб; К4…К6 – коэффициенты пропорциональности.
За эталон токсичности рекомендуется принимать окись углерода [9]. Выражение для расчета концентрации последнего в i-м слое атмосферы по данным исследования атмосферы на наклонной трассе может быть представлено в следующем виде:
. (7)
С учетом известного процентного содержания окиси углерода, используемого как реперная величина, можно судить и о полном спектре токсичных компонентов, например, для двигателей внутреннего сгорания [9].
Таким образом, для расчета концентрации окиси углерода достаточно иметь гидрометеорологические параметры исследуемого приземного слоя атмосферы (Тi, рi, еi) и данные эксперимента (Dh, Sтек), где ni рассчитывается по выражению (5).
На основе изложенного выше был разработан способ [5] и устройство [6] для определения загрязнения окисью углерода приземного слоя атмосферы.
В общем случае при отсутствии антропогенных веществ (рис. 3, траектория 1) преломляющие свойства приземного слоя атмосферы определяются водяным паром. При этом проекция оптического луча на базе АВ будет определяться функциональной зависимостью
S0 = f(n0, h0, j0) = f(e, P, T, h0, j0), (8)
где n0 – показатель преломления атмосферы в приземном слое; e – парциальное давление водяного пара; P – атмосферное давление; Т – абсолютная температура воздуха в приземном слое.
Рис. 3. Измерительная схема оценки наличия окиси углерода
Наличие окиси углерода вносит изменение в траекторию оптического луча. Фактическая траектория 2 (рис. 3) оптического луча приводит к изменению исходной проекции к виду S, которая определяется аналогичной функциональной зависимостью:
Sизм = f(n, h0, j0) = f(e, P, T, Ссо, h0, j0), (9)
где n – показатель преломления атмосферы в приземном слое с учетом влияния окиси углерода; Ссо – концентрация окиси углерода в исследуемой атмосфере.
Измерительная база АВ может быть значительно сокращена до линейной величины АС, поскольку, как следует из рис. 3, справедливо следующее отношение:
Sизм/S0 = h/h0. (10)
Применение фотодетекторной системы обработки для зондирующего оптического луча 2 позволяет автоматизировать процесс оценки наличия окиси углерода в исследуемой атмосфере и создавать автоматизированные посты контроля по данному виду загрязнения.
Заключение
Работа устройства была экспериментально проверена с использованием макета устройства и газоанализатора. Антропогенные вещества в нижней части приземного слоя атмосферы были смоделированы работающим карбюраторным двигателем автомобиля при различных режимах работы двигателя. Погрешность результатов измерений концентрации окиси углерода, полученная с помощью газоанализатора и макета устройства, не превышает 10–15 %, что делает возможным использование предложенного способа в практической деятельности.
Рецензенты:
Душкин А.В., д.т.н., доцент, начальник кафедры управления и информационно-технического обеспечения, ФКОУ ВПО «Воронежский институт ФСИН России», г. Воронеж;
Ирхин В.П., д.т.н., доцент, профессор кафедры основ радиоэлектроники, ФКОУ ВПО «Воронежский институт ФСИН России», г. Воронеж.
Работа поступила в редакцию 19.12.2013.