CC BY
49
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
УДК 504.064, 520.84
ДИСТАНЦИОННЫЙ БИОФИЗИЧЕСКИЙ МЕТОД ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ
В.А. Иноземцев, И.Н. Ефимов, А.А. Григорьев, А.А. Позвонков
Авторами статьи рассмотрены методы и средства химической разведки дистанционного действия применительно к обнаружению и идентификации различных экотоксикантов. Приведены примеры использования спектральных методов анализа лазерного и спектрорадиометрического типов для решения задач экологического мониторинга химически опасных объектов Минобороны России. Предложен способ экологического мониторинга окружающей среды на основе сравнения коэффициентов спектральной яркости объектов и определения вегетационных индексов подстилающей поверхности. Представлены результаты экспериментальных исследований по оценке возможности применения метода лазерно-индуцированной флуоресценции хлорофилла для экологического мониторинга химически опасных объектов. Предложено комплексное применение активных и пассивных методов зондирования состояния растительности с применением аппаратуры воздушного и космического базирования.
Ключевые слова: биофизический экомониторинг, дистанционное зондирование, спектральный коэффициент яркости, средства дистанционной химической разведки, химически опасные объекты, экотоксиканты.
В соответствии с положениями государственной программы Российской Федерации «Защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций...» [1], целью комплексных мероприятий, проводимых уполномоченными федеральными органами, является минимизация экономического и экологического ущерба, наносимого населению, экономике и природной среде вследствие чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Приоритетом
государственной политики в данной области является развитие систем мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций и оперативного реагирования. Ключевой
подпрограммой данной государственной политики в области модернизации систем контроля и управления опасных объектов и проведения комплексных исследований и мероприятий, направленных на своевременное выявление угроз химической и экологической направленности является Федеральная целевая программа «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2015-2020 годы)» [2]. Одним из направлений реализации программы является
разработка предложений в области обеспечения химической и биологической безопасности, принятия мер по ликвидации последствий аварий техногенного характера на химически опасных объектах (ХОО), а также разработка и внедрение систем экологического мониторинга на ХОО.
В Министерстве обороны РФ к ХОО можно отнести испытательные полигоны образцов вооружения и военной техники, в том числе вооружения и средств радиационной, химической и биологической защиты, объекты хранения токсичных химикатов, космодромы, базы и склады хранения ракетного топлива и горюче-смазочных материалов, военно-морские базы и т.п.
В настоящее время в Министерстве обороны РФ как таковых систем экологического мониторинга не существует, хотя требования к техническим средствам мониторинга уже заданы [3]. Вместе с тем, решение задач выявления фактов опасного РХБ заражения в мирное время в МО РФ планируется возложить на систему непрерывного объектового контроля (СНОК) РХБ обстановки, которая должна осуществлять в автоматическом режиме оперативное выявление фактов опасного РХБ заражения на объектах МО РФ, немедленное оповещение дежурных сил, информационную
поддержку принятия решения по защитным мероприятиям и прогнозирование изменения РХБ обстановки [4].
В 2007 году СНОК РХБ обстановки прошла государственные испытания и в настоящее время эксплуатируется на ХОО МО РФ ряда военных округов. Количество приборов РХБ контроля жестко не определено и зависит от необходимой потребности и имеющейся возможности их установки на ХОО МО РФ [3]. Как правило, контроль экологической обстановки на ХОО с целью качественного и количественного анализа наличия различных физиологически активных веществ (ФАВ) в окружающей среде осуществляется с помощью парка приборов химической разведки и контроля (ХР и К) локального действия. Локальные средства ХР и К не позволяют осуществлять контроль складывающейся химической обстановки в реальном масштабе времени в интересах принятия обоснованных решений по ликвидации последствий техногенных аварий и катастроф на крупных стационарных объектах МО РФ стратегического звена. Кроме того, имеющийся парк приборов ХР и К не позволяет осуществлять на должном уровне экологический мониторинг ХОО МО РФ в случаях постоянных выбросов экотоксикантов в незначительных масштабах в окружающую среду при нарушениях технологических регламентов на контролируемых объектах.
Вместе с тем, спектральные методы анализа в последнее время находят широкое применение для обнаружения и идентификации облаков различных экотоксикантов, дают возможность оперативно получать информацию об их качественном и количественном составе. Эти методы позволяют дистанционно обнаруживать физиологически активные вещества (ФАВ) в различных агрегатных состояниях. По сравнению с локальными методами контроля параметров облаков различных ФАВ в атмосфере дистанционные методы имеют ряд преимуществ (высокое быстродействие, широкий
территориальный охват, возможность
одновременного контроля многокомпонентных смесей), что обусловливает перспективность их применения для контроля экологической обстановки на крупных стационарных объектах МО РФ [5,6].
Однако необходимо отметить, что наземные средства дистанционной химической разведки (приборы химической разведки дистанционного действия ПХРДД-2, ПХРДД-3, лидарный комплекс КЛН-РХБР), принятые на снабжение ВС РФ в период с 2004 г. по 2010 г., не нашли широкого распространения, что не позволяет существенно повысить эффективность мероприятий экологического мониторинга ХОО МО РФ. Кроме того, работы по созданию лазерного комплекса дистанционной химической разведки
воздушного базирования КВД-ХР находятся в настоящее время на этапе государственных испытаний. Следует также отметить, что планируемые к разработке и созданию средства химической разведки воздушного базирования наиболее целесообразно использовать для контроля уже сложившейся химической обстановки по вторичным облакам ФАВ или для контроля плотностей заражения местности аэрозолями стойких ФАВ, что само по себе является сложной научно-технической задачей [7].
В связи с вышеизложенным по-прежнему актуальной является задача совершенствования системы первичных датчиков СНОК с целью улучшения их основных аналитических характеристик в интересах повышения эффективности мероприятий экологического мониторинга ХОО МО РФ.
В настоящее время для решения задач дистанционного мониторинга атмосферы и местности в зависимости от целей и специфики решаемых задач используются различные спектральные методы анализа как активного (лазерные), так и пассивного
(спектрорадиометрические) типов.
Классическим примером применения пассивных методов экологического мониторинга является космический мониторинг территории полигона 33 Центрального научно-исследовательского испытательного института (33 ЦНИИИ) Минобороны России в 1996 году [8]. Для решения этой задачи использовались данные, поступающие со спутников серии NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Данные принимались и обрабатывались в центре приема Института космических исследований РАН. В рамках космического мониторинга было организовано ежедневное круглосуточное наблюдение территории полигона и тестовых участков растительности Вольского района. Для анализа состояния растительных покровов по данным космической съемки обычно используется характеристика , называемая вегетационным индексом, характеризующая интенсивность растительных покровов [8]:
N DVI = (С 2 - Сх) / (С2 + Сх) (1)
где яркость в первом канале, яркость во втором канале. Каналы находятся в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.
Для вычисления вегетационного индекса обычно используются данные, накопленные в течение декады. Это позволяет использовать практически для каждой точки наблюдаемого региона данные, полученные в момент отсутствия облачности. Для накопления данных за декаду была использована процедура, которая включала в себя решение следующих задач:
- выбор фрагментов данных о наблюдаемом районе;
- расчет индекса вегетации по отдельным сеансам;
- перевод в географическую проекцию;
- накопление карт за декаду;
- построение временных сечений.
Для анализа динамики растительного покрова в различных точках были построены выборки данных в различные моменты времени. На рисунке 1 показано поведение вегетационного индекса растительности на полигоне и на тестовом участке, который обладает примерно такой же структурой растительного покрова, как район г. Шиханы, но вблизи него не находится никаких крупных жилых и промышленных объектов.
Дата космической съемки
Рис. 1. Изменение вегетационного индекса растительности на территории полигона
Из представленных данных видно, что динамика поведения вегетационного индекса в обоих районах практически одинакова. Это позволяет сделать вывод, что полигон, расположенный в районе г. Шиханы, не приводит к крупномасштабным изменениям структуры и качества растительных покровов.
Необходимо отметить, что в ряде случаев высшие сосудистые растения быстро реагируют на газообразные и твердые загрязняющие вещества, причем на такие концентрации этих веществ в атмосфере, которые не вызывают реакции человека и животных. С этой точки зрения состояние растительности в районах размещения ХОО может служить своеобразным индикатором состояния атмосферного воздуха, почвы и грунтовых вод. Таким образом, биофизический метод экологического мониторинга может
рассматриваться как эффективный способ контроля состояния окружающей среды на ХОО.
В ряде работ специалистами 33 ЦНИИИ рассматривались вопросы применения
биофизических методов для дистанционного мониторинга ХОО. При этом исследовались возможности как пассивного зондирования растительных экосистем, так и целесообразность применения для этих целей лазерных комплексов разведки. На способ дистанционного обнаружения
участков растительности, которая находится в стадии угнетения в связи с нарушением процессов фотосинтеза при наличии в окружающей среде экотоксикантов, получено авторское свидетельство [9]. При этом необходимо отметить, что вышеуказанный способ экологического мониторинга запатентован специалистами 33 ЦНИИИ на 10 лет раньше, чем были предложены аналогичные способы ранней лесопатологической диагностики и оценки состояния лесов, разработанные специалистами Московского государственного университета леса (МГУЛ) [10, 11].
Разработанный дистанционный способ биофизического экомониторинга основан на регистрации с помощью спектрозональной аппаратуры изменений спектральных
коэффициентов яркости (СКЯ) системы «растительность-подстилающая поверхность» в видимом диапазоне длин волн и их сравнение с эталоном (непораженной вегетирующей растительностью). Пассивное зондирование осуществляется в трех областях спектра, два из которых соответствуют полосам поглощения каротиноидов и хлорофилла, а последняя соответствует максимальному значению спектрального коэффициента яркости
непораженной растительности.
С целью достоверной идентификации стадий угнетения растительности первоначально измеряют значения спектральных коэффициентов яркости системы «растительность-подстилающая поверхность» в трех областях спектра: 460^500 нм, 540^580 нм, 660^700 нм. Затем определяют соотношения спектральных коэффициентов яркости для двух областей спектра 540^580 нм и 660^700 нм по формуле:
К СКЯ СКЯ (2)
Если К больше или равно 1,0, то идентифицируется поздняя стадия угнетения растительности, а если К1 меньше 1,0, то производится дальнейшее сравнение абсолютных величин спектральных коэффициентов яркости во всех трех вышеуказанных областях спектра и в случае примерного равенства абсолютных величин этих СКЯ идентифицируется ранняя стадия угнетения растений.
Случаю непораженной растительности, являющейся эталоном, будет соответствовать условие:
СКЯ СКЯ (3)
СКЯ СКЯ (4)
Таким образом, предлагаемый способ позволяет достоверно идентифицировать непораженную растительность в стадии вегетации, а также растительность, пораженную различными экотоксикантами и находящуюся в ранней и поздней стадиях угнетения.
Экспериментальная проверка
предлагаемого способа проведена на модельных участках злаковых сельскохозяйственных культур и древесно-кустарниковой растительности. Экспериментальным путем получены данные, представленные в таблице 1, показывающие изменение величины спектрального коэффициента яркости в зависимости от длины падающего
излучения и времени воздействия экотоксиканта. В таблице на основании полученных результатов представлены обобщенные данные,
подтверждающие возможность реализации предлагаемого дистанционного обнаружения участков растительности в стадии вегетации, пораженных различными типами экотоксикантов.
Таблица 1
Значения спектральных коэффициентов яркости и аналитические признаки стадий угнетения процесса
фотосинтеза растений в видимой области спектра
№ п/п Время, прошедшее после воздействия экотоксикант а, ч Стадия угнетения Значения СКЯ системы «растительность-подстилающая поверхность» в видимом диапазоне спектра, нм Значения коэффици ента К Аналитический признак
460-500 540-580 660-700
1 растения в стадии вегетации отсутству ет 17,6 26,7 15,4 0,58 СКЯ5 4 0 ч- 5 8 0 » СКЯ6 6 0ч-7 0 0; СКЯ5 4 0 ч- 5 8 0 » СКЯ4 6 0 ч- 5 0 0
2 28,0 ранняя 13,4 14,5 12,4 0,86 СКЯ4 6 0 ч- 5 0 0 ~ СКЯ540ч-5 80 ~ СКЯ6 6 0 ч- 7 0 0
3 50,0 ранняя 18,4 22,5 21,2 0,94 СКЯ4 6 0 ч- 5 0 0 ~ СКЯ540ч-5 80 ~ СКЯ6 6 0 ч- 7 0 0
4 75,0 поздняя 20,4 25,5 26,5 1,04 К > 1 , 0
5 150,0 поздняя 31,5 39,2 43,6 1,11 К > 1 , 0
Так, например, поздней стадии угнетения растительности на модельном участке заражения, (75ч, 150 ч) соответствуют значения коэффициента К], равные соответственно 1,04 и 1,11 (оба коэффициента больше 1,0), что является достаточным признаком для идентификации поздней стадии угнетения. В то же время случаю ранней стадии угнетения (28 ч, 50 ч) соответствует примерное равенство спектральных коэффициентов яркости во всех трех спектральных диапазонах, что позволяет сделать вывод о том, что растения находятся на ранней стадии угнетения фотосинтетического аппарата.
Случаю непораженной растительности в стадии вегетации, которая является эталоном, соответствует значительно большее значение спектрального коэффициента яркости в области 540.580 нм по сравнению с областями 460.500 нм и 660.700 нм. Это объясняется значительным поглощением излучения в двух последних диапазонах за счет наличия в непораженных растениях большого количества каротиноидов и хлорофилла.
Предлагаемый способ дистанционного обнаружения участков растительности в стадии вегетации, пораженных различными
экотоксикантами, может найти применение для экологического мониторинга окружающей среды с воздушных носителей и космических летательных
аппаратов (КЛА). Это позволит по сравнению с существующими способами контроля масштабов экологических бедствий и катастроф значительно повысить эффективность и оперативность экологического мониторинга, а также в несколько десятков раз повысить размеры зон экологического контроля.
Наиболее существенный эффект от разработанного способа следует ожидать при создании многоцелевых космических систем наблюдения для выявления масштабов и последствий аварий и техногенных катастроф на химически опасных объектах, сопровождающихся выбросом в атмосферу большого количества различных ФАВ, обладающих угнетающим действием на процесс фотосинтеза растительных экосистем. Основными достоинствами применения космических методов и систем мониторинга являются следующие показатели [12].
- большая обзорность, позволяющая анализировать состояние обширных территорий;
- возможность анализировать состояние растительных экосистем в любых труднодоступных районах;
- возможность получать информацию практически в любом масштабе, с различным пространственным и временным разрешением;
- оперативность получаемой информации;
- широкий спектр регистрируемых
параметров
- высокая достоверность получаемых
данных;
- возможность многократного и даже непрерывного наблюдения заданных регионов;
- экстерриториальность (районы съемки не привязаны к государственным или территориальным границам);
- полная стоимость работ по экологическому мониторингу на 2-3 порядка ниже, чем при традиционных методах исследования состояния растительных экосистем.
Основные космические средства для
Целесообразно отметить, что в настоящее время большая группа стран имеет на околоземной орбите группировки комических аппаратов, на которых установлена спектральная аппаратура, предназначенная для исследования состояния растительности. При этом существует прямой лицензированный доступ к спутниковой информации КЛА значительного большинства этих стран. Основные космические средства для исследования растительного покрова Земли представлены в таблице 2 [12].
Таблица 2
шания растительного покрова Земли
№ п/п Типы данных Космические аппараты (страна) Схема доступа к данным космического мониторинга
1 Сверхвысокое разрешение (< 1м) IKONOS-2, Gulck-Bird-2, Orb-View-3 (США) Заказ и доставка через оператора в США
2 Высокое разрешение (1.. .10 м) Ресурс -ДК (Россия) Заказ и доставка через НЦ ОНЗ
3 Высокое разрешение (1.10 м) EROS (Израиль), IRS-6/LISS-4 (Индия) Лицензированный прямой прием на станции в России
4 Высокое разрешение (1.10 м) SPOT-5 (Франция) Заказ и доставка через оператора во Франции
5 Среднее разрешение (10.250 м), многоспектральная съемка IRS-1C, IRS-1D, IRS-P6 (Индия), SPOT-2, SPOT-4 (Франция) Лицензированный прямой прием на станции в России
6 Среднее разрешение (10.250 м), многоспектральная съемка SPOT-2, SPOT-4, SPOT-5 (Франция), Landsat, EO-1, Terra/ASTER (США) Заказ и доставка через оператора в США и Франции
7 Среднее разрешение (10.250 м), многоспектральная съемка Метеор -3М №1 (Россия) Прием через оператора Федерального космического агентства
8 Низкое разрешение (> 250 м), многоспектральная съемка Terra, Agua (США) Прямой прием на станции в России (режим свободного доступа к данным)
9 Низкое разрешение (> 250 м), многоспектральная съемка SPOT/VGT (Франция) Интернет-технологии
10 Низкое разрешение (> 250 м), многоспектральная съемка ENVISAT/MERIS (ЕКА) Заказ и доставка через оператора в Европе
11 Оптическая стереосъемка SPOT (Франция) Заказ и доставка через оператора во Франции
12 Оптическая стереосъемка IRS-5 (Индия), Лицензированный прямой прием на станции в России
13 РСА среднего разрешения (10.100 м) RADARSAT (Канада) Лицензированный прямой прием на станции в России
В связи с вышеизложенным представляется целесообразным осуществлять космический монитор ХОО, в том числе крупных площадных объектов МО РФ, на основе биофизических метод дистанционного зондирования. При этом могут быть использованы различные методические подходы, представленные в работах ФГБУ «33 ЦНИИИ» Минобороны России, Института космических исследований РАН, ГУ НЦ «Аэрокосмос», МГУЛ и ряда других организаций [8-12].
Однако необходимо отметить, что аналитические признаки воздействия
экотоксикантов на растительность, которые регистрируются пассивными методами
дистанционного зондирования, обусловлены, в первую очередь, изменением морфологического состояния растительности. В общем случае это изменение цвета растительности от зеленого (нормальная стадия вегетации) до желто -коричневого, характеризующего поздние стадии угнетения фотосинтетического аппарата растений.
Процесс появления косвенных признаков поражения растительности, проявляющийся в изменении ее цвета, представляет довольно длительный процесс. В случае крупномасштабных выбросов ФАВ на ХОО, обладающих угнетающим действием на процессы фотосинтеза растительных сообществ, морфологические изменения растительности могут быть растянуты во времени на несколько суток (см. таблицу 1). Это обстоятельство накладывает определенные временные ограничения на оперативность получения информации о факте и масштабах выбросов экотоксикантов на ХОО МО РФ. В то же время дистанционные биофизические методы экологического мониторинга с использованием КЛА обеспечивают постоянный контроль состояния растительного покрова в районах размещения ХОО в случаях незначительных, но продолжительных выбросов экотоксикантов в окружающую среду, а также антропогенного воздействия на биосферу производственной деятельности ХОО.
Целесообразно отметить, что наряду с морфологическими признаками поражающего действия экотоксикантов на растительные экосистемы присутствуют также в виде косвенных признаков физиологические показатели, которые характеризуют процесс угнетения растительности на клеточном уровне. Физиологические признаки угнетенного состояния растительности связаны с нарушением основных механизмов обеспечения жизнедеятельности растений: дыхания, водного обмена, фотосинтезирующей способности. Наиболее информативной характеристикой физиологического состояния растительности является фотосинтезирующий аппарат растений, который представляет одну из главных мишеней токсического воздействия экотоксикантов. Инструментальное отображение воздействия экотоксикантов на растительные экосистемы возможно с помощью спектров флуоресценции основных пигментов фотосинтетического аппарата: хлорофиллов и каротиноидов. Причем высокие значения флуоресценции растительности, обусловленные спектральными характеристиками пигментов фотосинтетического аппарата, обеспечивают возможность надежной регистрации спектральных компонент эхо-сигналов в рамках натурных экспериментов по лазерному зондированию.
Основная идея такого подхода состоит в том, что хлорофилл, находящийся в фотосинтетических мембранах, служит своего рода природным датчиком состояния клеток высших растений. При нарушении состояния фотосинтетических мембран под действием внешнего фактора происходят определенные изменения оптических свойств хлорофилла, которые и служат источником информации для экспресс-диагностики состояния растительных клеток. Этому обстоятельству способствует то, что
в фотосинтетическом аппарате фотосистема II, ответственная за разложение воды и выделение кислорода, является чувствительной мишенью для таких внешних факторов, как экстремальные температуры, наличие в воздухе экотоксикантов, содержание в почве и грунтовых водах различных нефтепродуктов.
Сейчас во многих организациях, занимающихся разработкой новых методов экологического мониторинга растительных сообществ, это направление интенсивно развивается. Несомненно, ему принадлежит большое будущее, поскольку оно обеспечивает раннюю экспресс-диагностику состояния растительных клеток в природных условиях. В отличие от пассивных методов биофизического мониторинга растительных экосистем в районах размещения ХОО, флуоресцентные методы отражают такие изменения в фотосинтетическом аппарате, которые происходят на самых начальных этапах внешнего воздействия на процессы фотосинтеза растений.
Поражающее воздействие экотоксикантов на фотосинтетический аппарат растений, проявляющийся в виде ингибирования синтеза белковых комплексов, осуществляющих транспорт электронов в тилакоидах и хлоропластах, приводит к изменению эффективности миграции световой энергии по цепям фотосинтетического аппарата. Причем, когда эффективность передачи энергии по цепям фотосинтетического аппарата высока, то диссипация энергии в виде флуоресценции относительно невелика, что характерно для нормальных стадий вегетации. Токсическое воздействие экотоксикантов на фотосинтетический аппарат растительности приводит к торможению процессов фотосинтеза вследствие нарушения эффективности передачи энергии хлорофилло-белковыми комплексами, что влечет увеличение диссипации энергии в виде флуоресцентного излучения в красной области спектра [13-14]. Увеличение относительных значений
интенсивности флуоресценции растительности в области спектра нм, по отношению
к нормальной стадии вегетации, характерно для начальных стадий угнетения растительных экосистем. На более поздних стадиях поражения с момента деструктивных изменений хлорофилло-белковых комплексов интенсивность
флуоресценции резко уменьшается и даже прекращается полностью, что характеризуется стадией полного разрушения фотосинтетического аппарата растений.
Специалистами 33 ЦНИИИ проведены экспериментальные исследования по оценке возможности применения метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) хлорофилла для экологического мониторинга ХОО. Исследования проведены на модельных участках вегетирующей древесно-кустарниковой
растительности с применением экотоксикантов
ожогового действия, разрушающих процессы фотосинтеза в фотосинтетических мембранах высших растений. На рисунке 2 представлены спектры флуоресценции растительности, находящейся на различных стадиях угнетения фотосинтетического аппарата.
9,0
1 2,0 г i,o
0,0 }—гн— —— —— —— г^и—
640 660 680 700 720 740 760 Длина волны, нм
1-нормальная вегетация; кривые 2,3 и 4-спектры
ЛИФ растительности после 6 ч, 24ч и 48 ч воздействия экотоксиканта соответственно
(Козб. = 5 з 2 нм)
Рис. 2. Спектры лазерно-индуцированной флуоресценции древесно-кустарниковой растительности на модельных участках полигона 33 ЦНИИИМинобороны России
Спектры ЛИФ растительности исследовались при использовании различных источников лазерного излучения ультрафиолетового и видимого диапазонов спектра:
- азотного лазера Квозб. = 3 3 7 нм;
- аргонового лазера Квозб. = 488 нм;
- второй гармоники лазера на алюмо-иттриевом гранате Квозб. = 5 32 нм;
- гелий-неонового лазера Квозб. = 632 нм.
Анализ спектральных характеристик
растительности разновидовой принадлежности показал, что динамика изменений спектров ЛИФ травянистой и древесно-кустарниковой
растительности имеет общие закономерности. В общем случае возможно установить два характерных этапа. На первом этапе угнетения фотосинтетического аппарата растений (3.6 часов после моделирования аварийного выброса экотоксиканта) наблюдается рост интенсивности ЛИФ во всем рассматриваемом диапазоне длин волн. Это объясняется процессами перераспределения энергии в процессах фотосинтеза вегетирующей растительности, что приводит к диссипации высвобождаемой энергии в виде флуоресценции. Второй этап (более 24 часов после воздействия экотоксикантов)
характеризуется значительным снижением интенсивности флуоресценции растительности во всем рассматриваемом спектральном диапазоне. При этом форма спектра также претерпевает значительные качественные изменения, которые в основном относятся к областям 680^690 нм и 730^740 нм (первый и второй максимумы флуоресценции хлорофилла).
Заключение. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования различных стадий поражения растительных экосистем на основе анализа спектров ЛИФ, возбуждаемых различными источниками лазерного излучения, позволяют определить наиболее информативные области ЛИФ растений. На наш взгляд, наиболее полную картину ингибирующего действия экотоксикантов можно получить, исследуя спектры ЛИФ в трех спектральных интервалах 655^665 нм, 680^690 нм и 730^740 нм. При этом спектральный образ физиологического состояния растительности по спектрам ЛИФ позволяет установить негативное влияние экотоксикантов на растительные сообщества до формирования морфологических признаков поражающего действия экотоксикантов (изменение цвета и геометрии растительности). Это обстоятельство позволяет говорить о том, что обнаружение факта и масштабов аварийных выбросов экотоксикантов на ХОО с помощью дистанционных средств контроля, реализующих методы регистрации спектров ЛИФ, возможно в первые часы после попадания экотоксикантов в окружающую среду.
Оценка аналитических возможностей лидарных комплексов, основанных на регистрации спектров ЛИФ, показывает, что с учетом современного уровня развития элементной базы (изделия микроэлектроники, оптики, лазерной техники) дальность действия флуоресцентных лидаров может составить 2000.4000 метров. Следовательно, применение дистанционных средств активного типа, установленных на различных средствах подвижности, может существенно повысить эффективность
экологического мониторинга ХОО. Максимальная эффективность применения биофизических методов экологического мониторинга может быть достигнута при комплексном использовании пассивных и активных методов зондирования состояния растительности с помощью аппаратуры воздушного и космического базирования. Предложенный методический подход
экологического мониторинга химически опасных объектов может быть использован для оценки и прогнозирования масштабов и последствий аварийных и запроектных ситуаций как на объектах Минобороны России, так и оборонно-промышленного комплекса в целом.
Библиография
1 О государственной программе Российской Федерации «Защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, обеспечение пожарной безопасности и безопасности людей на водных объектах: постановление Правительства Российской Федерации от 15.04.2014 г. № 300 (в ред. от 31.03.2017).
2 Концепция Федеральной целевой программы «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2015-2020 годы)». Утверждена распоряжением Правительства РФ от 28.04.2015 г. № 418-ДСП. [Текст]:-М.: 2015.
3 Цапок М.В., Шаталов Э.В., Алексеев В.А. и др. Принятие решения экспертной системой при чрезвычайных ситуациях в зонах влияния химически опасных объектов [Текст] // Доклады АВН.-2009.-№4 (39).- с. 90-95.
4 Комплект СНОК РХБО. Руководство по эксплуатации [Текст]: ВЕБК.468213.001 РЭ:-М.: ЗАО «Центр специального конструирования «Вектор», 2007.-57 с.
5 Григорьев А.А. Научно-методический подход к разработке имитационных рецептур токсичных химикатов в интересах испытаний и оценки основных аналитических характеристик дистанционных средств химической разведки [Текст] // В сб. Актуальные вопросы теории и практики РХБ защиты.-Вольск-18, 33 ЦНИИИМО РФ.-2011.-Вып. 9 - с. 35-42.
6 Григорьев А.А., Серебренников Б.В. Дистанционный контроль массовой концентрации аэрозолей физиологически активных веществ в атмосфере [Текст] // В сб. Необратимые процессы в природе и технике: Тр. V Всероссийской конф. МГТУ им. Н.Э. Баумана. -М, 2009.-с.121-124.
7 Григорьев А.А. Метод Монте-Карло в решениях задач оптимизации технических характеристик и номенклатуры образцов вооружения и средств РХБ защиты [Текст] // В сб. Актуальные вопросы теории и практики РХБ защиты. - Вольск-18, 33 ЦНИИИ МО РФ.- 2011.-Вып. 9 - с.60-71.
8 Анализ и разработка научно-методических подходов и технических путей практического использования космической информации для выявления геофизической и экологической обстановки из космоса. [Текст]: отчет о НИР (промежуточный, этап 2): шифр «Албастран-АН»/ ИКИ РАН; рук. Тамкович Г.М., М.:1996.-137с.-Исполн. Князев Н.А.[и др.].
9 Авторское свидетельство №206783, СССР, МКИ3 G 01 N 21 / 25. Способ дистанционного обнаружения участков растительности, пораженной экотоксикантами [Текст] / Григорьев А.А., Палатов Ю.А., Седунов С.Г. и др.; заявитель и патентообладатель в/ч 61469. - № 3075904; заявл. 21.10.1983; опубл. 01.08.1984.
10 Патент №2115887 Российская Федерация МПК 7 G 01 С 11 / 00. Способ идентификации типов растительности. [Текст] / Давыдов В.Ф., Григорьева
References
1. O gosudarstvennoi programme Rossiiskoi Federatsii «Zashchita naseleniia i territorii ot chrezvychainykh situatsii, obespechenie pozharnoi bezopasnosti i bezopasnosti liudei na vodnykh ob"ektakh: postanovlenie Pravitel'stva Rossiiskoi Federatsii ot
15.04.2014 g. № 300 (v red. ot 31.03.2017)
2. Kontseptsiia Federal'noi tselevoi programmy «Natsional'naia sistema khimicheskoi i biologicheskoi bezopasnosti Rossiiskoi Federatsii (2015-2020 gody)». Utverzhdena rasporiazheniem Pravitel'stva RF ot
28.04.2015 g. № 418-DSP. [Tekst]:-M.: 2015.
3. Tsapok M.V., Shatalov E.V., Alekseev V.A. and others. Decision-making by the expert system in emergency situations in areas affected by chemically hazardous objects [Text] / /Reports of Academy of Military Sciences.-2009.- №4 (39).-pp. 90-95.
4. The kit of continuously monitoring system of the object in CBRN environment. Operating manual [Text]:VEBK.468213.001 RE:-M.: ZAO «Special moulding design center «Vector », 2007.-57p.
5. Grigor'ev A.A. Scientific and methodical approach to the development of simulation formulations of toxic chemicals for testing and evaluation of the main analytical characteristics of the remote means of chemical reconnaissance [Text]. / / In collection of scientific papers. Actual questions of theory and practice of the CBRN protection.- Vol'sk-18, 33rd CSRI of the MoD of the RF.-2011.-Vol. 9-p. 35-42.
6. Grigor'ev A.A., Serebrennikov B.V. Remote monitoring of the mass concentration of aerosols of physiologically active substances in the atmosphere [Text] // /In collection of scientific papers. Irreversible processes in nature and technology: Tr. V all-Russian Conf. Bauman Moscow State Technical University. -M, 2009.-p. 121-124.
7. Grigor'ev A.A. The Monte-Carlo's method in the decision of the problems of optimization of the technical characteristics and the nomenclature of CBRN weapons and protection equipment [Текст] // In collection of scientific papers. Actual questions of theory and practice of the CBRN protection.- Vol'sk-18, 33rd CSRI of the MoD of the RF.-2011.-Vol. 9-p.60-71.
8. Analysis and development of the scientific and methodological approaches and the technical ways of practical use of information from space to identify geophysical and environmental conditions. [Text]: report about Research effort (interim, phase 2): code «Albastran-AN»/ IKI RAN; Project chairman Tamkovich G.M.., M.: 1996.-137p.- The executor Kniazev N.A..[and others].
9. Copyright certificate № 206783, USSR, MKI3 G 01 N21 / 25. Method of remote detection of areas of vegetation, that were affected with toxicants [Text] / Grigor'ev A.A., Palatov Iu.A., Sedunov S.G. and others; the patentee - military unit 61469. - № 3075904; patent 21.10.1983; publ. 01.08.1984.
10. Patent No. 2115887 the Russian Federation, MPK7 G 01 11 / 00. Method of the identification of the vegetation's types. [Text] / Davydov V.F., Grigor'eva
О.Ю., Щербаков А.С.и др.; заявитель и патентообладатель Московский государственный университет леса. -№ 94036123/13; заявл. 27.09.1994; опубл. 20.07.1998.
11 Патент №2038001 Российская Федерация МПК 7 А 01 G 23 / 00. Способ оценки состояния лесов. [Текст] / Бронников С.В., Щербаков А.С., Шалаев В.С. и др.; заявитель и патентообладатель Московский государственный университет леса. №5035506/15; заявл.02.04.1992; опубл. 27.06.1995.
12 Разработка технологий оценки состояния и динамики растительных ресурсов наземных экосистем на основе дистанционного мониторинга. [Текст]: отчет о НИР (промежуточный, этапы 2,3): Госконтракт №02.525.11.5005; ГУ НЦ «Аэрокосмос» рук. Бондур В.Г. М.: 2007.-27с. - Исполн. Шахраманьян М.А. [и др.].
13 Hill R., Bondall F. Function of the two citochrome components in chloroplasts. A working hypothesis. //Nature. 1960 - Vol. 186. р.136-138.
14 Клейтон Р. Фотосинтез. [Текст].-М.: Мир, 1984350 с.
O.Iu., Shcherbakov A.S. and others; the patent -Moscow State University of Forest. -№ 94036123/13; patent. 27.09.1994; publ. 20.07.1998.
11. Patent №2038001 the Russian Federation, MPK7 A 01 G 23 / 00. The method for assessing of the forests' state. [Text] / Bronnikov S.V., Shcherbakov A.S., Shalaev V.S. and others.; the patent - Moscow State University of Forest. №5035506/15; patent 02.04.1992; publ. 27.06.1995.
12. Development of technologies for assessing of the state and dynamics of plant resources of terrestrial ecosystems on the basis of remote monitoring. [Text]: report about Research effort (interim, stages 2,3): government contract №02.525.11.5005; State Institute Scientific Centre «Aerokosmos» project chairman Bondur V.G. M.: 2007.-27p. - The executor Shakhraman'ian M.A. [and others].
13. Hill R., Bondall F. Function of the two citochrome components in chloroplasts. A working hypothesis. //Nature. 1960 - Vol. 18
14. Clayton R. Photosynthesis. [Text].-M.: Mir, 1984350 p.
REMOTE BIOPHYSICAL METHOD OF ECOLOGICAL MONITORING OF CHEMICALLY HAZARDOUS OBJECTS
The authors of the article considered the methods and devices of remote chemical reconnaissance for the detection and identification of the various types of ecotoxicants. The examples of using of spectral methods of analysis of laser and spectroradiometric types for solving problems of environmental monitoring of chemically dangerous objects of the Ministry of defense of Russia were given. The method of the ecological monitoring of the environment based on the comparison of the coefficients of the spectral brightness of objects and the determination of vegetation indices underlying surface was proposed. The results of experimental studies of capabilities assessment of using the method of laser-induced fluorescence of chlorophyll for environmental monitoring of chemically hazardous objects were presented. The integrated application of active and passive methods of probing the state of vegetation with using the air and space-based equipment was proposed.
Key words: biophysical environmental monitoring, remote sensing, the spectral luminance factor, means of remote chemical agent detector, chemically hazardous objects, ecotoxicants
Иноземцев Валерий Александрович,
кандидат химических наук,
начальник кафедры общей тактики и оперативного искусства,
Военная академия РХБ защиты им. Маршала Советского Союза С.К. Тимошенко,
Россия, г. Кострома.
[email protected], 89164837940
Inozemtsev V.A.,
PhD in Chemistry,
Chief of the Department of General Tactics and Operational Art of War, Nuclear, Biological and Chemical Defense Military Academy named after Marshal of the Soviet Union S.K. Timoshenko, Russia, the city of Kostroma.
Ефимов Игорь Николаевич,
кандидат технических наук, доцент,
начальник научно-исследовательского испытательного отдела,
33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт Минобороны России,
Россия, Саратовская обл., г. Вольск-18, [email protected], 89173223322, Efmov I.N.,
PhD in Technical Science, Associate Professor, Chief of Scientific Research Department,
The 33rd Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defense of the Russian Federation,
Russia, Saratov region, the city of Volsk-18.
Григорьев Александр Александрович,
кандидат технических наук, доцент,
ведущий научный сотрудник научно-исследовательского испытательного отдела, 33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт Минобороны России,
Россия, Саратовская обл., г. Вольск-18, [email protected], 89053864915, Grigoriev A.A.,
PhD in Technical Science, Associate Professor, Leading Researcher of Scientific Research Department,
The 33rd Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defense of the Russian Federation,
Russia, Saratov region, the city of Volsk-18.
Позвонков Андрей Александрович,
кандидат технических наук,
заместитель начальника научно-исследовательского испытательного отдела,
33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт Минобороны
России,
Россия, Саратовская обл., г. Вольск-18,
[email protected], 89172177466,
Pozvonkov A.A.,
PhD in Technical Science,
Deputy Chief of Scientific Research Department,
The 33rd Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defense of the Russian Federation,
Russia, Saratov region, the city of Volsk-18.
© Иноземцев В.А., Ефимов И.Н., Григорьев А.А., Позвонков А.А., 2018
