Способ определения массовой концентрации респирабельной фракции атмосферного аэрозоля

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ РЕСПИРАБЕЛЬНОЙ ФРАКЦИИ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Кугейко Михаил Михайлович Лысенко Сергей Александрович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения массовой концентрации респирабельной фракции атмосферного аэрозоля с границами по верхнему размеру частиц , равными 2,5 и 10 мкм, заключающийся в том, что измеряют сигналы обратного рассеяния из точекзондируемой трассы на длинах волн 10,35 мкм, 20,532 мкм, 31,06 мкм, по значениям сигналов обратного рассеяния с использованием регрессионных соотношений между коэффициентами ослабления (, ) и обратного рассеяния а(1)1,3820 а(1)75,9625 а(2)43,7665 а(3),(2)1,3738 а(1)52,8682 а(2)25,3304 а(3),(3)0,6273 а(1)4,5588 а(2)28,0760 а(3),определяют значения коэффициентов обратного рассеяния а(, ) для указанных длин волн и определяют массовую концентрацию респирабельных фракций 2,5 и 10 атмосферного аэрозоля из выражения( )( ) ,где- средняя плотность аэрозольного вещества, - объемная концентрация аэрозольных частиц размером дов точках ,2,51,45450,0353 а(, 1)0,4011 а(, 2)0,3937 а(, 3),102,13620,0379 а(, 1)0,2423 а(, 2)0,6111 а(, 3). Предлагаемое изобретение относится к области охраны окружающей среды, аналитического приборостроения. Известны способы определения концентрации аэрозольных частиц 1-4 путем регистрации проходящего через исследуемый объем или рассеянного в нем оптического излучения. В 1 о концентрации аэрозольных частиц судят по глубине модуляции рассеянного 14094 1 2011.02.28 излучения, принятого на элементах приемника, соответствующих формируемым полосам света. В 2, 3 о параметрах частиц аэрозоля судят по ослаблению пучка излучения на трех длинах волн, а в 4 концентрация аэрозоля определяется по яркости принятого приемником рассеянного излучения. Известен также способ определения концентрации фонового атмосферного аэрозоля путем измерения коэффициентов рассеяния под тремя углами 5. Однако ни один из данных способов не позволяет определять массовые концентрации респирабельных фракций атмосферного аэрозоля. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения концентрации фонового атмосферного аэрозоля путем измерения оптических характеристик коэффициентов ослабления, коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 10,35 мкм 20,532 мкм 31,06 мкм, определение его счетной и объемной концентрации транзитивной, аккумулятивной и грубодисперсной фракции из уравнений множественной регрессии 6. Для практических потребностей санитарных служб наиболее важным является контроль массовой или объемной концентрации атмосферных аэрозолей и, в первую очередь,их респирабельной фракции, оказывающей отрицательное воздействие на здоровье человека. Согласно стандарту Американского агентства по защите окружающей средыи европейскому стандарту 7708 7, 8, определены две границы отделения респирабельной фракции от общей массы аэрозоля - 2,5 и 10, соответствующие ограничению по верхнему размеру частиц 2,5 и 10 мкм. Оценка загрязнения воздуха в соответствии с требованиями 10 определяет массу частиц, проникающих в дыхательную систему человека за гортань. 2,5 позволяет оценить массу частиц, попадающих в альвеолярные отделы дыхательной системы. Требуемые для санитарных служб диапазоны массовой концентрации 2,5 и 10 с использованием прототипа не определяются. Более того, используемые в прототипе 6 регрессионные соотношения не соответствуют отмеченным только что диапазонам, а также городскому аэрозолю, для которого в наибольшей степени требуется оперативный дистанционный контроль. Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи оперативного дистанционного контроля респирабельных фракций как фонового, так и городского аэрозоля. Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе измеряют сигналы обратного рассеяния (, ) в точкахзондируемой трассы на длинах волн 10,35 мкм 20,532 мкм 31,06 мкм, по значениям измеренных сигналов обратного рассеяния(, ) с использованием регрессионных соотношений между коэффициентами ослабления(, ) и коэффициентами обратного рассеяния (, ), соответствующих как фоновому,так и городскому аэрозолю, определяют значения коэффициентов обратного рассеяния(, ), а массовую концентрацию респирабельных фракций 2,5 и 10 определяют из выражения( )( ) ,где 2,5 и 10, - средняя плотность аэрозольного вещества,2,51,45450,0353(, 1)0,4011(, 2)0,3937(, 3),102,1362 - 0,0379(, 1)0,2423(, 2)0,6111 (, 3).- объемная концентрация аэрозольных частиц для диапазона размеров 2,5 мкм и 10 мкм в точках . Отмеченная сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, на которых изображены соответственно фиг. 1 - оценки погрешностей определенияс использованием уравнений регрессии (2) (а-в) гистограммы погрешностей восстановления а на длинах волн 355 (а), 532 (б) и 1064 нм (в) для 1000 реализаций параметров статистической микрофизической модели аэрозоля (г-е) результаты восстановления а, соответствующие данным по оптическим характеристикам аэрозоля, полученным на станциях 14094 1 2011.02.28 фиг. 2 - результаты восстановления профилей (, ) на длинах волн 355 (а), 532 (б) и 1064 нм (в) с использованием локальной калибровки в конце трассы зондирования (1 - заданные профили (, ) 2 и 3 - соответственно профили (, ), восстановленные в предположении (, )и при использовании уравнений регрессии (2 фиг. 3 - результаты восстановления концентраций 2,5 и 10 с использованием уравнений (5) при наложении на значения , рассчитанные для 1000 реализаций варьируемых параметров модели, случайных погрешностей в пределах 10 . Для численного моделирования вариаций аэрозольных оптических характеристик и получения регрессионных соотношений между ними использовалась статистическая микрофизическая модель аэрозоля, содержащая все необходимые для расчетов оптических характеристик, микрофизические параметры аэрозоля, диапазоны и модель их вариаций. Модель основана на общепринятом представлении, что частицы атмосферных аэрозолей разного происхождения различаются по своим свойствам и сравнительно слабо взаимодействуют между собой 11. На основе такого предположения функция распределения по размерам частицреальных атмосферных аэрозолей представляется в виде суммы функций распределения, описывающих отдельные фракции. Каждая фракция характеризуется концентрацией частиц в единице объема , комплексным показателем преломления вещества частиц (КПП)и функцией распределения частиц по размерам. Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что наиболее близко к реальной картине описание распределения аэрозольных частиц с помощью суммы трех функций, описывающих распределение мелко-, средне- и грубодисперсной фракции 9-12. Для описания функции распределения частиц фракций по размерам нами использовалось логонормальное распределение 122,(1)22 где- счетная концентрация частиц, 0 - модальный радиус,- стандартное отклонение,1 соответствует аэрозолям естественного конденсационного происхождения, 2 фотохимическим аэрозолям, в основном антропогенного происхождения, 3 - аэрозолям дисперсного происхождения. Первые две фракции образуются в основном в результате фотохимических реакций и последующих конденсационных процессов. Третья фракция образуется главным образом в результате выветривания и разрушения почв. Таким образом, трехфракционная модель аэрозоля определяется пятнадцатью микрофизическими параметрами (по 5 для каждой фракции вещественная и мнимая части КПП -исоответственно, параметры 0 ифункции распределения частиц по размерам (1), концентрация частиц фракции ). Так как вторая фракция образуется в результате эволюции первой фракции, то наблюдается определенное сходство химического состава и КПП вещества частиц первых двух фракций 9-12. Полагая равенство КПП частиц мелко- и среднедисперсной фракций аэрозоля (тонкодисперсная фракция), число параметров модели можно сократить до 13. Диапазоны изменений указанных параметров,выбранные на основании анализа многочисленных литературных данных 9-16, охватывают значения параметров аэрозолей как в регионах с малой антропогенной нагрузкой(фоновый аэрозоль), так и в крупных индустриальных районах. При фиксированных значениях параметров модели можно по известным формулам теории Ми вычислять оптические характеристики каждой фракции и находить общие характеристики. При каждом конкретном акте использования модели по известным правилам моделирования равномерно распределенных случайных величин для каждого набора из 13 параметров рассчитываются требуемые оптические аэрозольные характеристики. Однако при получении выборки микрофизических параметров путем их случайных вариаций могут получаться не встречающиеся в реальности расчетные значения как оптических, так и не 3 14094 1 2011.02.28 которых интегральных микрофизических характеристик, например объемных концентраций, эффективных размеров 32, лидарного отношения, коэффициента ослабления, его спектрального хода и т.д. Чтобы отфильтровать выборку, т.е. исключить не встречающиеся в реальности значения отмеченных выше параметров, нами накладывались ограничения на значения 1) коэффициента ослабления 0,005(0,55 мкм)1 км-1 2) отношения коэффициентов обратного рассеяния 0,7(0,55)/(1,02)2,5(1 )( 2 ) 3) параметра Ангстрема(1355 нм, 2532 нм) 0,62,221 4) отношения объемных концентраций частиц грубодисперсной и тонкодисперсной фракций 0,13 5) эффективного размера частиц аэрозоля также его тонкодисперснойи грубодисперснойфракций 0,1 мкм 1 мкм 0,1 мкм 0,33 мкм 1 мкм 5 мкм Данные ограничения выбраны на основании анализа многочисленных данных сети глобального мониторинга на основе сканирующих солнечных фотометров 17,18. На основе сгенерированного ансамбля из 1000 реализаций микрофизических параметров аэрозоля и расчетов его коэффициентов ослабления(км-1) и обратного рассеяния(км-1 ср-1) на длинах волн 1355 нм 2532 нм и 31064 нм, с использованием методов математической статистики, получены уравнения множественной регрессии между ними 0(1)1,3820(1)75,9625(2)43,7665(3),(2) 0(2)1,3738(1)52,8682(2)25,3304(3),а(3)0,6273(1)4,5588(2)28,0760(3). Для каждой реализации по уравнениям регрессии (2), с учетом добавления в расчетные значенияслучайных погрешностей измерения (в пределах 10 ), рассчитывались значения , которые сравнивались с их точными значениями. Соответствующие гистограммы погрешностей определенияиз уравнений (2) представлены на фиг. 1, а-в. На рисунках также указаны значения средних по выборке микрофизических параметров аэрозоля погрешностей восстановления . Следует отметить, что, в силу широких диапазонов вариаций аэрозольных микрофизических характеристик, регрессионные уравнения (2) справедливы как для городских, так и фоновых аэрозолей. Очевидно, что при меньших диапазонах (соответствующих региональным особенностям аэрозоля) коэффициенты ослабления можно определять с большей точностью. Интерпретация данных многоволнового аэрозольного лидара в задачах исследования пространственно-временной структуры атмосферного аэрозоля основывается на обращении системы уравнений лазерного зондирования, связывающих мощность принимаемых сигналов обратного рассеяния (, ) с параметрами среды. В приближении однократного рассеяния данные уравнения имеют вид 19 где- текущая координата по трассе зондирования- длина волны- константа калибровки (, ) и (, ) - соответственно профили коэффициентов обратного аэро 4 14094 1 2011.02.28 зольного и молекулярного рассеяния (, ) и (, ) - профили коэффициентов аэрозольного и молекулярного ослабления расстояние 0 соответствует концу теневой зоны лидара. Для определения константы калибровки лидара необходима априорная информация об оптических характеристиках среды. Исходя из общего свойства устойчивости решения(3), опорное значение восстанавливаемой оптической характеристики более предпочтительно задавать в конце трассы 19. При известном опорном значении (, ) восстановление профилей (, ) удобно осуществлять с использованием итерационного метода Фернальда 20, требующего задания профиля лидарного отношения (, )(, )/(, ) и использующего предположение о его постоянстве по трассе зондирования.) Профили (1 (,) , полученные при первоначальном допущении (1) (,),рассматриваются как первое приближение. Далее в соответствии с уравнениями (2) вы( числяются профили лидарных отношений 2) (,) следующей итерации и проводится уточнение профилей ( 2) (,) с использованием получаемых на основе метода Ферналь да соотношений Критерием завершения итерационной процедуры является выполнение условия где- заданная малая величина. Определение характеристик 2,5 и Н 10 в точкахисследуемой трассы основано на множественной корреляции между ними и значениями коэффициента обратного рассеяния на указанных длинах волн, установленной нами на основе рассмотренной выше микрофизической модели аэрозоля с использованием аппарата математической статистики для выборки из 1000 реализаций варьируемых параметров модели 2,51,45450,0353(, 1)0,4011(, 2)0,3937(, 3),(5) 102,1362 - 0,0379(, 1)0,2423(, 2)0,6111(, 3). В (5) используются логарифмы величин, т.к. в этом случае мы имеем дело с числами одного порядка, а абсолютная ошибка логарифма дает оценку относительной ошибки самой величины. Использование уравнений (5) позволяет осуществлять оперативный контроль концентрации респирабельной фракции аэрозоля по данным трехчастотного зондирования без решения некорректных обратных задач, использования дополнительной априорной информации и сопутствующих измерений. Широкие диапазоны вариаций микрофизических параметров модели позволяют говорить о справедливости уравнений (5) для аэрозолей как в сельской местности, так и в крупных индустриальных районах. На фиг. 2 представлены результаты восстановления характеристик 2,5 и 10 для 1000 реализаций параметров модели аэрозоля, при наложении на расчетные значения случайных погрешностей в пределах 10 . Средние погрешности их восстановления, равные для Н 2,5 и 10 соответственно 35 и 33 , ввиду широких диапазонов возможных значений искомых характеристик (в два порядка), являются вполне приемлемыми для удовлетворения потребностей ряда задач экологического мониторинга окружающей среды (например, по превышению ПДК). 14094 1 2011.02.28 Из выражений( )( ) , где 2,5 и 10,- средняя плотность аэрозольного вещества,2,51,45450,0353(, 1)0,4011(, 2)0,3937(, 3),102,1362 - 0,0379(, 1)0,2423(, 2)0,6111(, 3), - объемная концентрация аэрозольных частиц для диапазона размеров 2,5 мкм и 10 мкм,легко определить массовые концентрации респирабельных фракций атмосферного аэрозоля. Измерения сигналов обратного рассеяния на трех отмеченных длинах волн и использование уравнений регрессии, связывающих значения коэффициентов аэрозольного ослабления и обратного рассеяния на длинах волн 355, 532 и 1064 нм позволяет значительно повысить точность восстановления профилей коэффициентов обратного рассеяния. Использование же множественной корреляции между объемными концентрациями 2,5 и 10 и спектральными значениями коэффициента аэрозольного обратного рассеяния позволяет проводить достаточно точные оценки экологически значимых характеристик аэрозоля по данным трехчастотного зондирования атмосферы без решения некорректных обратных задач и использования дополнительной априорной информации, что также повышает точность определения 2,5 и 10, поскольку данные задачи чувствительны к априорной информации и погрешностям определения используемых оптических характеристик. Предлагаемый способ может эффективно использоваться для организации оперативного экологического мониторинга как городского, так и фонового аэрозолей. Источники информации 1.2148812 1, 2000. 2.1420474 1, 1988. 3.2005049228 А, 2005. 4.4525627, 1985. 5.10844 1, 2008. 6. 2.5.-454/-98-012,1998. 7.12341..10., 1998. 8. Патент РБ 10845 1, 2008. 9. Кондратьев К.Я., Ивлев Л.С., Крапивин В.Ф. Свойства, процессы образования и последствия воздействий атмосферного аэрозоля от нано- до глобальных масштабов. СПб. , 2007. - С. 807. 10. Ивлев Л.С., Андреев С.Д. Оптические свойства атмосферных аэрозолей. - Ленинград ЛГУ, 1986. - С. 359. 11. Андреев С.Д., Ивлев Л.С. Моделирование оптических характеристик аэрозолей приземного слоя атмосферы в области 0,3-15 мкм. Ч. . Принципы построения модели. Ч. . Выбор параметров модели. Ч. . Результаты моделирования // Опт. атмосф. и океана. - 1995. - . 8. -5. - С. 788-795. -8. - С. 1227-1235 1236-1243. 12. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. - Л. Гидрометеоиздат,1986. - С. 256. 13. Васильев А.В., Ивлев Л.С. Оптическая статистическая модель атмосферы для района Ладожского озера // Опт. атмосф. и океана. - 2000. - . 13. -2. - С. 198-203. 14. Ивлев Л.С., Васильев А.В., Белан Б.Д., Панченко М.В., Терпугова С.А. Оптикомикрофизические модели городских аэрозолей. В сб. Третья международная конферен 6 14094 1 2011.02.28 ция. Естественные и антропогенные аэрозоли, сборник трудов. Санкт-Петербург, 24.0927.09.2001/ Отв.ред. Л.С. Ивлев, НИИ Химии СПбГУ, 2003. - С. 161-170. 15..,// . . - 1995. - . 29. . 1-2. - . 3293-3301. 16. Иванов В.П. Прикладная оптика атмосферы в тепловидении. - Казань Новое Знание, 2000. - С. 357. 17..,.,.,.// . . . - 2005. - . 110, 1011.10.1029/2004 005124. 18. // 19. Креков Г.М., Кавкянов С.И., Крекова М.М. Интерпретация сигналов оптического зондирования атмосферы. - Новосибирск Наука, 1987. - С. 184. 20.// . . 1984. - . 23. - . 5. - . 652-653. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.