4.1 Средства экологического контроля

Задача получения достоверной, полной и оперативной информации экологического состояния является важнейшей, но и многотрудной. Вопросы повышения производительности и оперативности измерений, регулярности контроля, масштабности охвата одновременным контролем, автоматизации и оптимизации технических средств и самого процесса контроля становятся определяющими в оценке эффективности того или иного мониторинга в целом.

Средства экологического контроля можно условно разделить на контактные и неконтактные, а контролируемые показатели на две категории:

- функциональные (продуктивность, скорость изменения процессов, круговорот веществ и др.);

- структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или биологических параметров и др.

Охарактеризуем контактные методы.

Метод газовой хроматографии. Основан на разделении летучих соединении вещества при заданном температурном режиме. Площадь каждого пика хроматограммы пропорциональна концентрации соответствующего компонента.

Полярографический метод. Данный метод является электрохимическим, в основе его лежит зависимость между характером поляризации рабочего электрода и количественным и качественным составом исследуемого вещества, содержащего электровосстанавливающиеся или электроокисляющиеся компоненты.

Кондуктометрический метод. Основан на зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости вещества от концентрации и природы его компонент.

Кулонометрический метод. Базируется на измерении количества электрической энергии, затраченной на осуществление данного электрохимического процесса в данной пробе.

Потенциометрический метод. Метод основан на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в веществе.

Ионометрический метод. Основан на реакции ионоселек-тивных электродов, обратимых к большому числу катионов и анионов.

Колориметрический метод. Базируется на измерении избирательного ослабления светового потока, прошедшего пробу исследуемой среды.

Рефрактометрический метод. Базируется на измерении избирательного преломления светового потока, падающего на поверхность пробы исследуемой среды.

Люминесцентный метод. Основан на зависимости спектра сигнала, переизлученного пробой контролируемого вещества под воздействием облучающего сигнала.

Термографический метод. Базируется на тепловом расширении жидкостей (ртути или спирта) или изменении с нагреванием электрического сопротивления пли силы термоэлектрического тока.

Метод титрования. Метод основан па характерных реакциях пробы исследуемого раствора с веществом-индикатором. Акустический метод. Основан на изменении параметров акустического поля при контакте с пробой исследуемой среды. Механический метод. Базируется на измерении механических характеристик пробы исследуемого объекта.

Контактные методы дополняются неконтактными, которые основаны на использовании двух свойств зондирующих (электромагнитных, акустических, гравитационных) полей: осу-щесгвлхгъ взаимодействуя с контролируемым объектом и переносить полученную при этом информацию к датчику. Зондирующие поля обладают широким набором информативных признаков и разнообразием эффектов взаимодействия с веществом объекта контроля.

Принципы функционирования средств неконтактного контроля условно делят на пассивные и активные. Пассивный - когда осуществляется прием зондирующего поля, исходящего от самого объекта контроля; активный - когда производится прием отраженных, прошедших или переизлученных зондирующих полей, созданных сторонним источником. Рефлексный метод контроля представляет собой разновидность активного контроля при одновременном совмещении функций передачи и приема зондирующих сигналов. Оба принципа контроля основаны на частотной и пространственно-временной избирательности, чувствительности параметров зондирующих сигналов к тому или иному контролируемому параметру. При реализации пассивных датчиков обходятся только одной основной операцией - приемом сигналов, излучаемых объектом контроля, однако пассивные сигналы обладают малым набором информативных параметров (частота, интенсивность и частичная поляризация, например, электромагнитного радиотеплового сигнала). При осуществлении активного контроля требуется две основные операции - излучение и прием зондирующих сигналов, в то же время активные сигналы обладают широким набором информативных параметров (частота, амплитуда, мощность, фаза, форма, поляризация и ряд других). Характерно, что объект, который слабо отражает зондирующие электромагнитные волны заданной частоты дает на этой же частоте сравнительно сильный радиотепловой (пассивный) сигнал и наоборот. Поэтому существуют не только преимущественные области применения активного и пассивного контроля, но и равновесная область, требующая оптимизации по дополнительным критериям.

Дж. К. Максвелл в 60-70 гг. XIX в. обобщил открытые Фарадеем, Ампером, Био и Саваром, Ленцем и другими физиками законы, развил их и создал математическую теорию электромагнитного поля. Открытие в 1905 г. А. Эйнштейном теории относительности привело к созданию электромагнитного поля как особого вида материи, качественно отличного от вещества.

Классическая (макроскопическая) электродинамика характеризует поле лишь волновыми свойствами, а элементарные частицы - корпускулярными. При этом электромагнитному полю присуща непрерывность его распределения в пространстве и распространение его во времени.

Так как объемная плотность массы электромагнитного поля мала, то в вакууме и при отсутствии сильных гравитационных полей скорость поля постоянна и равна скорости света. В одном и том же объеме может существовать множество электромагнитных волн, вещество и электромагнитное поле могут быть взаимно проницаемыми, занимать один и тот же объем и влиять друг на друга.

Квантовая электродинамика объясняет микроскопические процессы: процесс теплового электромагнитного излучения, фотоэффект, эффект Комптона и другие явления атомарного масштаба. При этом протяженное электромагнитное поле рассматривают как состоящее из независимых друг от друга дискретных частиц - фотонов, обладающих двойственной корпускулярно-волновой природой. Фотоны распространяются со скоростью света в вакууме и целиком поглощаются или излучаются атомами. Фотоны электромагнтиных полей высокой частоты обладают относительно большой дискретно-изменяющейся энергией (например, длине волны 1 мм соответствует энергия кванта 1,25•10^-5 эВ, длине волны 760 мм - 3,3 эВ).

Электромагнитную волну можно описать следующим образом:

f=с/λ₀,

где f - частота колебаний; λ₀ - длина волны в вакууме; с - скорость электромагнитной волны в вакууме и квантовыми параметрами

Q=hf,

где Q - энергия кванта (фотона); h - постоянная Планка.

Распространяющееся от источника поля (антенны) электромагнитное возмущение называют электромагнитной волной, а процесс создания этой волны ускоренно и направленно движущимися зарядами (т. е. переменными во времени источниками) представляет собой излучение волны. Антенны всегда устраиваются так, чтобы токи в антеннах были значительно большими, чем в непосредственной примыкающей к пей окружающей среде (воздухе). Другой вид электромагнитного излучения представляет собой излучение самого объекта, как вещества в состоянии термодинамического равновесия, за счет преобразования энергии теплового движения атомов, молекул в энергию электромагнитного поля.

Электромагнитная волна вызывает в полупроводящем объекте контроля токи двух видов: ток смещения и ток проводимости. Эти токи, совместно с переменным магнитным полем, являются источником новых электромагнитных волн: отраженных и преломленных. Соотношение между этими токами, а соответственно, и соотношение между величинами отраженных и преломленных волн, зависит от соотношения электропроводящих и диэлектрических параметров объекта контроля, структуры неоднородности объекта (т. к. на границах неоднородностей также образуются новые отраженные и преломленные волны).

Среду (вещество) при ее макроскопическом рассмотрении делят по электрическим и магнитным свойствам на изотропную и анизотропную, линейную и нелинейную, однородную и неоднородную.

Изотропной называют среду, физические свойства которой одинаковы по всем направлениям в каждой ее точке. Анизотропной называют среду, физические свойства которой различны по разным направлениям.

Линейной (нелинейной) называют среду, свойства которой не зависят (зависят) от величины векторов поля.

Однородной назовем среду, параметры которой имеют одно и то же значение во всех ее точках, т. е. не являются функциями координат. Неоднородной называют среду, параметры которой непрерывно меняются от точки к точке и представляют собой некоторые функции пространственных координат.

По магнитным свойствам линейные изотропные среды делят на парамагнетики (намагничивание под действием внешнего поля происходит по направлению этого поля) - μ>1, диамагнетики (намагничивание происходит в обратном направлении) - μ<1. Практически у последних μ≈1.

Например, атмосферный воздух относят к линейным, изотропным, неоднородным средам, воду - к диамагнетикам, а кислород - к парамагнетикам.

Волновой спектр электромагнитного поля можно условно представить следующими составляющими:

- низкочастотные волны (длина волны в вакууме 10¹¹... 10⁴ м);

- гамма-излучение (1000... 1 фм), излучается возбужденными ядрами атомов и элементарными частицами.

Исходными уравнениями электромагнитного поли являются уравнения Максвелла. Уравнения классическом электродинамики в интегральной форме характеризуют электромагнитный процесс в некотором объеме и позволяют получить суммарный эффект. Для характеристики поля в каждой точке области, где его векторные составляющие непрерывны и дифференцируемы, существуют уравнения Максвелла в дифференциальной форме. Для граничных областей имеют место граничные условия.

Основной особенностью волнового процесса и, в частности, электромагнитной волны, является способность переносить энергию без переноса вещества.

Электромагнитные волны являются поперечными, т. к. векторы электрической Е и магнитной H папряжепностей поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору скорости распространения волны. Электромагнитная волна называется плоской, если векторы E и H зависят только от времени и одной декартовой координаты (в плоской волне все лучи - направления переноса энергии, параллельны друг другу); сферической - если ее интенсивность зависит только от расстояния до некоторой точки, называемой центром волны. Б зависимости от. соотношения амплитуд и начальных фаз суммируемых монохроматических волн результирующая электромагнитная волна характеризуется тем пли иным видом поляризации. Поляризация определяет закон изменения направления и величины вектора Е (и H) этой волны в данной точке пространства за период колебания. Существуют три вида поляризации монохроматических волн: линейная (направления колебаний векторов Е и H в любой точке пространства остаются неизменными с течением времени, а сами колебания являются возвратно поступательными движениями по прямой линии, перпендикулярной направлению распространения волны), круговая (векторы Е и H в любой точке пространства равномерно вращаются, описывая своими концами окружность за время периода), эллиптическая (векторы Е и Н в любой точке пространства вращаются, описывая своими концами эллипс за время периода). Для немонохроматических процессов кроме поляризованных волн, могут существовать также неполяризованные (векторы Е и H хаотически, случайным образом меняют свое направление в плоскости, перпендикулярной направлению распространения) и частично поляризованные волны (сумма поляризованной и неполяризованпой волн). Различают также виды линейной поляризации: вертикальную (при которой вектор Е лежит в плоскости падения волны, а вектор H перпендикулярен этой плоскости) и горизонтальную (при которой вектор H лежит в плоскости падения волны, а вектор Е перпендикулярен этой плоскости).

При падении электромагнитной волны на поверхность той или иной среды (вернее, при пересечении границы раздела двух сред) происходит отражение и преломление волны. Коэффициент отражения (преломления) представляет собой отношение величин отраженной (преломленной) и падающей волн.

Для вертикально (горизонтально) поляризованной волны коэффициенты отражения соответственно равны:

При вертикальном падении волны относительно поверхности контролируемой среды имеем

где Ф, φ - модуль и фаза соответствующего коэффициента отражения;

ε₁₍₂₎=ε₁₍₂₎-j60λσ₁₍₂₎ - комплексная диэлектрическая проницаемость, соответственно, среды падения - отражения (1) и преломления (2);

α - угол между вертикалью и направленнем скорости распространения падающей волны.

Законы Спеллиуса для отражения (преломления) на границе раздела двух сред гласят, что угол падения α₁ равен углу отражения α₂ (угол между вертикалью к границе и направлением скорости распространения отраженной волны), а отношение углов падения и преломления (угол между вертикалью к границе и направлением скорости распространения преломленной волны) удовлетворяет следующему соотношению:

Рассмотрим теперь энергетические соотношения. Учитывая, что энергия падающей волны (Р_пад) равна сумме энергий отраженной волны (Р_отр) и преломленной (Р_прел):

Р_пад=Р_отр+Р_прел

а также аналитическое выражение Р=ЕН=Е₂/Z_ср, получаем

После несложных перестановок находим

или

Необходимо отметить, что напряженность поля отраженной (Е_отр) и преломленной (Е_прел) волны, а также величина угла преломления (α₂) зависят от комплексной диэлектрической проницаемости преломляющей среды.

Для однородной, линейной и изотропной сред ослабление преломленной радиоволны характеризуется тангенсом угла потерь, численно равным отношению токов проводимости и смещения

Амплитуда волны убывает в полупроводящей однородной, изотропной среде по экспоненциальному закону, а фаза меняется линейно.

Заметим, что одновременно с увеличением глубины проникновения при росте длины радиоволны происходит и увеличение коэффициента отражения.

Для однородного, линейного и изотропного объекта контроля при воздействии гармонической радиоволны частотой f справедливы следующие соотношения:

длина волны в веществе объекта (изменение длины волны свидетельствует о частотной дисперсии);

комплексная диэлектрическая проницаемость вещества объекта;

волновое число, или коэффициент распространения в полупроводящем объекте, характеризующий изменение модуля и аргумента комплексной амплитуды напряженности электрического поля при перемещении на единицу длины (k₀ - волновое число в вакууме; ω - круговая частота; с - скорость света; υ_ф - фазовая скорость волны);

глубина затухания волны в объекте (длина пути прохождения волны, на котором ее амплитуда уменьшается в е раз);

фазовый коэффициент волны в объекте (длина пути прохождения волны, на котором ее фаза уменьшается в е раз);

мгновенное значение напряженности электрическогв ноля в объекте (Е₀ - амплитуда напряженности поля в воздухе);

коэффициент отражения от границы "воздух-объект контроля" при вертикальном зондировании.

Для анализа электромагнитной ситуации в объекте контроля исходной является система уравнений Максвелла. В то же время, путем взаимной комбинации названных уравнений, можно совершить переход к так называемым волновым уравнениям, которые проще решать и которыми проще выявлять физический смысл получаемых решений.

Для однородного, линейного, изотропного объекта (а также без источников сторонних токов и зарядов) волновое уравнение электромагнитного поля в объекте, созданного внешним источником облучения, имеет вид однородного дифференциального обыкновенного уравнения второго порядка

При гармоническом волновом пространственно-временном процессе, например для напряженности электрической составляющей поля

дифференциальное уравнение приобретает вид

Здесь h - путь, проходимый волной в объекте, ε_а и μ_а - значения абсолютной диэлектрической и магнитной проницаемости вещества объекта.

Учитывая, что

и переходя от абсолютного значения ε_а к относительному ε=ε_а/ε₀. получаем

Тогда предыдущее уравнение приобретает следующий вид:

или

Решение этого уравнения для мгновенных значений напряженности имеет вид

По аналогии для неоднородного, линейного, изотропного объекта волновое уравнение имеет вид

Находя приближенные решения, отметим, что для выполнения закономерностей геометрической оптики требуется в i-м слое, сравнимом но размерам с длиной волны λ в объекте, соблюдение следующих условий:

При линейном изменении, т. е. когда ε=ε₁+nh, σ=σ1+mh (ε₁ и σ₁ - значения относительной диэлектрической проницаемости и электропроводности в первом верхнем слое, n и m - линейные коэффициенты), и отсутствии заметной частотной дисперсии решение может выражаться в функциях Бесселя порядка 1/3 или с помощью интеграла Эпри. Для параболических неоднородностей (ε=ε₁+nh², σ=σ₁+mh²) - например, в функциях Вебера.

Очевидно, для одного и того же коэффициента отражения может существовать разнообразие сочетаний законов неоднородностей. Для устранения многозначности требуется знание дополнительной информации.

Область поля вне излучателя делят на ближнюю, промежуточную и дальнюю зоны.

Ближнее поле (на расстоянии h<<λ₀) не участвует в процессе излучения (т. к. движение энергии ближнего поди имеет симметрично колебательный характер), электрическая и магнитная составляющие поля смещены здесь на 90°, т. е. энергия носит реактивный характер, амплитуда электрической компоненты обратно пропорциональна третьей степени расстояния, а магнитной - второй степени, энергия ближнего поля здесь существенно превышает энергию поля излучения.

Промежуточное поле (на расстоянии, сравнимом с длиной волны в среде распространения - воздухе) является переходным от зоны индукции к зоне излучения. Дальнее поле (на расстоянии h>>λ₀) определяет поле излучения в виде бегущих волн, у которых фазы компонент поля совпадают (т. е. соответствующая им энергия является активной), амплитуда компонент обратно пропорциональна первой степени расстояния, энергия поля движется в одном направлении, векторы компонент взаимно перпендикулярны.

В дальней зоне однородной среды без потерь фаза компонент поля представляет собой линейную комбинацию

где ω₀ - круговая частота распространения волны;

t - текущее время;

k₀=2π/λ₀ - волновое число, или коэффициент фазы;

h - расстояние до объекта;

с - скорость распространения электромагнитной волны в среде без потерь (в вакууме);

λ₀ - длина волны в среде без потерь (в воздухе).

Связь между электрической Е и магнитной Н напряженностями поля в дальней зоне определяется волновым сопротивлением среды распространения

(для воздуха в нормальных условиях W₀=120π Ом).

Напряженность поля Е, распространяющегося от ненаправленной антенны, излучающей мощность Р_изл, равна

Для сравнения различных передающих антенн используют понятие сопротивления излучения R_изл. Излучательная способность элементарного электрического вибратора (разомкнутая система) значительно больше, чем элементарной рамки (элементарный магнитный излучатель, замкнутая система) по причине их существенно различных значений сопротивления излучения. Чувствительность приемных электрических антенн также выше, чем магнитных.

Сопротивлением излучения антенны называют коэффициент пропорциональности, связывающий мощность излучения с квадратом действующего значения тока, развиваемого генератором или усилителем в антенне:

Значение тока вдоль реальной антенны изменяется (т. к. синусоидальный закон,, т. е. закон стоячей волны, справедлив только при отсутствии потерь в антенне), поэтому сопротивление излучения относят либо к току на входе (в точках питания) антенны, либо к току в пучности. Сопротивление излучения характеризует степень связи антенны с воздушной средой (окружающим пространством). Такая связь так же необходима, как и связь между генератором и его нагрузкой, - генератор отдает свою мощность в нагрузку, а антенна излучает подводимую к ней мощность в окружающее пространство.

Еще более обобщенным параметром антенны является ее входное сопротивление (оно уже является частотно-зависимым и характеризует еще и полосу пропускания 2Δω_А антенны)

где UА - напряжение на входе антенны;

R_Авx и X_Авх - активная и реактивная составляющие входного сопротивления;

R_Ап - сопротивление потерь;

(если антенна, например, эквивалентна последовательному колебательному контуру).

Приемные антенны зачастую характеризуют эффективной (действующей) площадью

где

коэффициент направленного действия;

Е₀ - напряженность поля, создаваемая антенной в главном направлении в случае работы ее как передающей.

Важным параметром антенны является ее волновое сопротивление

где L_A и С_А - погонные (на единицу длины) индуктивность и емкость антенны. Волновое сопротивление коротких симметричных вибраторов определяется приближенно по формуле

где l - длина плеча вибратора;

а - радиус провода вибратора.

Параметром, характеризующим направленные свойства антенны и учитывающим потери в ней, является коэффициент усиления антенны.

Зондирующее электромагнитное поле, исходящее от самого объекта контроля, подчиняется законам квантовой электродинамики и обусловлено тепловым движением заряженных частиц среды (молекул, атомов, ионов). В пределах объема среды излучение, создаваемое хаотическим движением электронов, неполяризованпо и ненаправленно. Граница прохождения излучения селективно изменяет первично генерируемые электромагнитные волны (кванты) как по интенсивности, так и по поляризации. Таким образом, тепловое электромагнитное излучение становится направленным и частично поляризованным.

У зондирующего естественного (теплового) электромагнитного поля имеется ряд характерных особенностей:

- среда, которая слабо отражает зондирующие искусственные сигналы (эффективность активного контроля мала), дает сравнительно сильный радиотепловой сигнал и наоборот;

- тепловое электромагнитное поле излучения абсолютно черною тела описывается законом Планка, для которого характерна прямо пропорциональная зависимость интенсивности излучения от абсолютной температуры объекта, т. е. интенсивность излучения зависит только от температуры тела, спектральное распределение излученной энергии имеет экстремальный характер (причем этот экстремум максимума для тел с температурой от 20 до 5 000 К находится преимущественно is диапазоне волн от 740 им до 2 мм.

Формула Планка для абсолютно черного тела имеет вид