СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ, В ВОДНОМ И ПРИДОННОМ СЛОЯХ ГИДРОСФЕРЫ Российский патент 2003 года по МПК G01V3/12 

Изобретение относится к области исследования физических явлений, происходящих в плазмосфере, в околоземном космическом пространстве на высотах внешней ионосферы, и может быть использовано для обнаружения явлений, связанных с радиоактивным загрязнением в окружающем пространстве: в приземном слое атмосферы, в водном и придонном слоях гидросферы, например, в области экологического мониторинга районов континентального шельфа для выявления в водной массе и донных отложениях зон и областей повышенной концентрации радиоактивных элементов.

Известен способ дистанционного зондирования, позволяющий уловить микросодержания некоторых элементов в атмосфере над зонами их концентрации в наземной и водной среде. Для реализации способа используется лидарная спектрометрия, которая основана на применении импульсного (лазерного) источника излучения и приемного устройства, установленных на спутнике [1]. Этот способ относится к категории дистанционных геохимических исследований. К способам непосредственного изучения радионуклидных загрязнений водной среды, почвенного слоя и донных осадков относятся разнообразные виды пробоотбора - с помощью маршрутного отбора образцов грунта, дночерпателей, грунтовых трубок, мелкого бурения, отбора проб воды из разных горизонтов водной толщи [2] . Эти способы, отличаясь высокой точностью результатов, требуют использования соответствующего транспортного средства (корабль, автотранспорт и др.), специального технического оборудования и лабораторной базы для анализа проб и образцов, то есть связаны со значительными материальными, трудовыми и временными затратами, что не всегда экономически оправдано.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ обнаружения литосферных зон переменной геодинамической активности, основанный на анализе спутниковых одновременных измерений параметров околоземной плазмы (всплески интенсивности магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений, потоки низкоэнергичных электронов и температура окружающей спутник плазмы). В процессе обработки информации из рассмотрения исключают области, где традиционно наблюдаются естественные и искусственные возмущения параметров плазмы, и выделяют зоны устойчивого наблюдения (не менее 1-2 мин) аномального увеличения интенсивности параметров плазмы, не менее чем на 15-20 дБ превышающего уровень фона. После этого выполняют корреляционный анализ для всех сочетаний зарегистрированных параметров. Полученные результаты (выделенные области регистрации повышенной интенсивности) сравнивают с данными геолого-геофизического картирования литосферной зоны, расположенной в зоне проекции на Землю орбиты спутника [3]. Требуемый коэффициент корреляции должен составлять не менее 0,7-0,8. Этот способ позволяет определить зоны литосферных разломов.

Хотя зоны техногенных загрязнений в приземном слое атмосферы, в водном и придонном слоях гидросферы, чаще всего, достаточно приближены к зонам разломов, но задача определения (выделения) зон техногенных загрязнений в приземном слое атмосферы, в водном и придонном слоях гидросферы, по спутниковым данным никогда не ставилась.

Особенностью зон долгоживущих глубинных разломов, ограничивающих крупные массивы и блоки, является то, что независимо от их древней природы, в современных геодинамических условиях они ведут себя как зоны относительного растяжения. С ними связаны зоны повышенной трещиноватости, которые обеспечивают избирательно высокую проницаемость недр вдоль этих разломов. Это обусловливает циркуляцию вдоль них активных минерализованных растворов, из которых осаждаются соединения, в том числе так же влияющие на повышение фонового радиоактивного излучения, однако в значительно меньшей степени, чем техногенные загрязнения. Распределение концентраций радиоактивных элементов является функцией течения воды, особенностью грунтов и донного рельефа. Последние обусловлены структурой земной коры и текущими в ней сейчас, то есть в последние 10-15 миллионов лет, процессами. Таким образом, грубо говоря, повышение концентрации радиоактивных веществ может быть предвестником землетрясений, а может быть и вестником техногенного радиоактивного загрязнения. Известны данные, подтверждающие повышение концентрации тяжелых элементов вдоль некоторых активных долгоживущих глубинных разломов. Кроме того, в атмосферу через эти зоны разломов может поступать глубинное тепло и глубинные газы, такие как гелий, водород, радон и метан. И тем самым, будучи зарегистрированы, они могут являться индикатором радиоактивного загрязнения.

Решаемая техническая задача состоит в выявлении зон радиоактивных загрязнений без дополнительных существенных материальных затрат.

Предлагаемый способ обнаружения радиоактивных загрязнений в приземном слое атмосферы, в водном и придонном слоях гидросферы основан на проведении спутниковых одновременных измерений и регистрации всплесков интенсивности магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений околоземной плазмы, потоков низкоэнергичных электронов, температуры окружающей спутник плазмы, а также интенсивности легких ионов (гелия, водорода, кислорода и т. п.). Анализ получаемых данных состоит в исключении из рассмотрения областей, где традиционно наблюдаются естественные (например, область внутренней границы внешнего радиационного пояса и примыкающей к нему части зазора между радиационными поясами) и искусственные волновые возмущения, и выделении зон устойчивого (не менее 1-2 мин) наблюдения аномального увеличения интенсивности параметров, не менее чем на 15-20 дБ превышающих уровень фона. Корреляционный анализ для всех сочетаний зарегистрированных параметров позволяет выделить области наблюдений, где коэффициент корреляции составляет не менее 0,7-0,8 при неоднократном повторении эффекта. При совпадении выделенных, по совокупности, аномальных всплесков параметров в зоне геодинамических напряжений с областью резкого возрастания (не менее 20%) интенсивности мягких ионов (гелия, водорода и т.п.), делают вывод о наличии зоны загрязнения в приземном слое атмосферы, в водном и придонном слоях гидросферы.

Для иллюстрации предлагаемого способа приведена фиг.1, на которой дан фрагмент географической карты, на которой на фоне техногенного радиоактивного загрязнения, полученного другими известными способами по сумме загрязнителей в водной среде и донных отложениях (Cs 137, Pb 239, 240, Со 60, твердые радиоактивные отходы) [2] в Баренцевом и Карском морях показаны штрихами проекции 231, 232, 233 и 234 орбит спутника "Интеркосмос 19", на которых наблюдались одновременные флуктуации интенсивности низкочастотных излучений и потоков низкоэнергичных частиц (электронов). Коэффициент корреляции огибающей всплесков интенсивности излучений и плотности потока низкоэнергичных электронов превышает 0,7-0,8. Из фиг.1 ясно видно, что зоны наблюдения коррелированных всплесков флуктуаций интенсивности низкочастотных излучений и потоков низкоэнергичных электронов четко совпадает с зонами повышенного содержания радионуклидов.

На фиг.2 приведен пример аналоговой записи информации на борту спутника (орбита 233) при его пролете над зоной загрязнения. На иллюстрации присутствуют данные записи электрической компоненты интенсивности поля низкочастотных излучений (выбраны три частоты), плотности потока электронов с энергией 120 эВ и температуры плазмы, окружающей спутник (Тн). При пролете спутника над зоной загрязнения (заштрихована) резко возросла интенсивность параметров и отмечено появление одновременных мелкомасштабных колебаний (флуктуаций).

Таким образом, наблюдаемые в районе Южно-Баренцевской впадины одновременные всплески интенсивности низкочастотных излучений и потоков низкоэнергичных электронов, возможно, связаны с выделением радона. Необходимо отметить, что непосредственные измерения содержания мягких ионов в Южно-Баренцевской впадине, насколько известно, не проводились. В то же время здесь на сравнительно небольшом количестве проб были изучены концентрации радиоактивных элементов [2]. Полученные результаты отражают тенденцию повышения этого показателя в водном слое - вдоль западной и южной окраин впадины и вдоль западной периферии архипелага Новая Земля, а также в слое донных осадков вдоль этой периферии. Области повышенной концентрации радиоактивных элементов совпали с областью регистрации одновременных флуктуаций зафиксированных на спутнике параметров. Приведенный пример подтверждает тот факт, что радиоактивные загрязнения, действительно, концентрируются вдоль разломов и могут быть обнаружены при спутниковом обследовании структуры земной коры, а индикатором радиоактивного загрязнения могут служить легкие ионы, регистрация интенсивности которых на спутниковых высотах принципиально возможна. Авторы указанных исследований связывают повышение концентраций радиоактивных элементов с техногенным радиоактивным загрязнением района, которое обусловлено последствиями испытаний ядерного оружия и выносом радионуклидов из Европы и Северной Америки атлантическими течениями. Известно, что радиоактивное загрязнение отдельных районов Баренцева и Карского морей "зашкаливает" все мыслимые и немыслимые пределы, это широко опубликовано.

Способ осуществляют следующим образом. В составе любого спутникового комплекса предусматривают проведение одновременных измерений магнитной и электрической компонент поля ОНЧ излучений околоземной плазмы, плотности потока электронов и температуры плазмы, для чего оснащают их соответствующей качественной стандартной аппаратурой. Для реализации способа, в качестве примера, могут быть использованы анализатор низких частот (АНЧ-2МЕ), измеряющий магнитную и электрическую составляющие поля низкочастотных (0,1-20 кГц) излучений [4] , для регистрации плотности потока низкоэнергичных электронов - прибор типа [5], для измерения температуры плазмы - прибор типа [6] и для регистрации легких ионов - прибор типа [7]. Результаты измерений, по разработанной заранее программе, включающей различные режимы регистрации, в полете искусственного спутника Земли (ИСЗ) фиксируют запоминающим устройством штатной телеметрии ИСЗ с последующей передачей информации на Землю. Оперативно обрабатывают полученную информацию на ЭВМ. В ходе обработки по программе выделяют естественные излучения, затем исключают пространственные зоны вблизи области проекции внутренней границы внешнего радиационного пояса и примыкающей к нему части зазора между радиационными поясами. Выделяют области устойчивого наблюдения (не менее 1-2 мин) всплесков сигналов, превышающих на 15-20 дБ уровень фоновых сигналов, традиционно наблюдаемых в данной области пространства. Для выделенных огибающих сигналов выполняют корреляционный анализ. При коэффициенте корреляции 0,7-0,8 и выше отмечают зону наблюдения коррелируемых сигналов, запоминают (на ЭВМ по программе) их географические и геомагнитные координаты. Регистрация подобных высококоррелированных сигналов на борту спутника при его последующих пролетах над данным регионом позволяет судить о наличии зон тектонических нарушений в литосфере или литосферных зон переменной геодинамической активности. Одновременно регистрируют спектр и интенсивность ионов гелия, водорода и т.п. При совпадении зон разломов по совокупности аномальных всплесков параметров зоны с областью резкого возрастания (не менее 20%) интенсивности ионов гелия, водорода и т.п., то есть мягких ионов, делают вывод о наличии зон загрязнений. Регистрация подобных высококоррелированных сигналов на борту спутника при его последующих пролетах над данным регионом, то есть их неоднократное повторение, с уверенностью позволяет судить о наличии зон загрязнений в приземном слое атмосферы, в водном, придонном слоях гидросферы.

Нами просмотрено большое количество сеансов спутниковой информации над выделенным регионом. Было обнаружено, что зоны наблюдения одновременных мелкомасштабных колебаний интенсивности низкочастотных излучений, плотности потока низкоэнергичных частиц (электронов) и температуры плазмы совпадают с зонами техногенных загрязнений.

Учитывая, что сейсмичность, с которой часто связывают повышенное содержание радона в приземных эманациях, в рассматриваемом районе Баренцева и Карского морей весьма слаба, наблюдаемое здесь сочетание одновременных мелкомасштабных колебаний интенсивности низкочастотных излучений, плотности потока низкоэнергичных электронов и других параметров плазмы (в том числе легких ионов), могут отражать наличие радиоактивного загрязнения в приземном слое атмосферы, водном и придонном слоях. Это открывает определенные перспективы в применении материалов спутниковых измерений ионосферных электромагнитных эффектов и результатов их интерпретации не только для изучения активных глубинных структур литосферы, но и для контроля (мониторинга) радиоактивного загрязнения среды.

Спутниковые измерения по сравнению с (известными) наземными измерениями позволяют существенно расширить географию контролируемых областей и выявить зоны радиоактивных загрязнений, так как этот метод является дистанционным. Этот метод не требует больших капиталовложений, поскольку может быть совмещен с другими спутниковыми измерениями, то есть экономически он более выгоден, чем организация наземных наблюдений.

Этот метод позволяет существенно повысить надежность и достоверность измерений за счет комплексного подхода и использования автоматической обработки информации на современных вычислительных машинах.

Источники информации
1. Лялько В. И. Лидарная спектрометрическая съемка. В кн.: Космическая информация в геологии. М., Наука, 1983, стр.101-105.

2. Матишов Г.Г., Матишов Д.Г., Намятов А.А. Искусственные радионуклиды в донных отложениях Карского моря. В кн.: Биология и океанография Карского и Баренцева морей (по трассе Севморпути). Апатиты, КНЦ РАН, 1998, стр.422-430.

3. Патент РФ 2158942 на изобретение "Способ обнаружения литосферных зон переменной геодинамической активности", Авторы: Ларкина В.И., Ружин Ю.Я., Сенин Б.В., Сергеева Н.Г. Приоритет 29.10.1999 г. Зарегистрирован 10 ноября 2000.

4. Воробьев О.В., Коробовкин В.В., Лихтер Я.И. и др. Приемная аппаратура для регистрации низкочастотных сигналов и шумов АНЧ-2МЕ // Аппаратура для исследования внешней ионосферы. М.: ИЗМИРАН, 1980, с.136-142.

5. Минеев Ю.В., Спирькова Е.С. Спектрометр электронов в магнитосфере Земли // Вестник МГУ. Сер. Физ.-аст.рономия. 1981, т.22, N1, с.1-95.

6. Кубат К., Класс Я., Шмилауэр Я., Афонин В.В. Прибор КМ-3 для измерения электронной температуры и распределения скоростей тепловых электронов // Аппаратура для исследования внешней ионосферы. М.: ИЗМИРАН, 1980, с.120-135.

7. Иванова Т., Петрунова М., Чапканов С. и др. Прибор ПЧ-4 для измерения концентрации положительных ионов // Аппаратура для исследования внешней ионосферы. М.: ИЗМИРАН, 1980, с.109-119.

Использование: для прогнозирования в экологии, сейсмологии, нефтегеологии и гидрогеологии явлений, связанных с зонами геодинамических напряжений. Проводят анализ спутниковых результатов одновременных измерений интенсивности магнитной и электрической компонент поля, плотности потока низкоэнергичных электронов, температуры окружающей спутник плазмы и интенсивности легких ионов. При анализе информации из рассмотрения исключаются области, где традиционно наблюдаются естественные и искусственные волновые возмущения, и выделяются зоны устойчивого (не менее 1-2 мин) наблюдения аномального увеличения интенсивности параметров ионосферной плазмы, не менее чем на 15-20 дБ превышающих уровень фона, после чего выполняют корреляционный анализ для всех сочетаний зарегистрированных параметров и выделяют области наблюдений, где коэффициент корреляции перечисленных параметров между собой составляет не менее 0,7-0,8. При неоднократном повторении эффекта делают вывод о наличии загрязнения в приземном слое атмосферы, в водном и придонном слоях гидросферы. Технический результат: повышение надежности и достоверности способа. 2 ил.

Способ обнаружения радиоактивных загрязнений в приземном слое атмосферы, в водном и придонном слоях гидросферы, основанный на проведении спутниковых одновременных измерений всплесков интенсивности магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений околоземной плазмы, потоков низкоэнергичных электронов и температуры окружающей спутник плазмы, анализе полученных данных с последующим исключением из рассмотрения областей, где традиционно наблюдаются естественные и искусственные волновые возмущения, и выделением зон устойчивого, не менее 1-2 мин, наблюдения аномального увеличения интенсивности параметров ионосферной плазмы, не менее чем на 15-20 дБ превышающих уровень фона, после чего выполняют корреляционный анализ для всех сочетаний зарегистрированных параметров и выделяют области наблюдений, где коэффициент корреляции перечисленных параметров между собой составляет не менее 0,7-0,8, отличающийся тем, что одновременно с выше названными параметрами регистрируют интенсивность легких ионов и при неоднократном повторении эффекта обнаружения интенсивных потоков ионов, превышающих фоновый уровень не менее чем на 20%, делают вывод о наличии загрязнения в приземном слое атмосферы, в водном и придонном слоях гидросферы.