Раздел 4. Светотехнические приборы для изучения экологических вопросов
Лекция 14
Исследование загрязнения гидросферы и других неблагоприятных процессов
1.Светотехнические приборы для определения загрязненности гидросферы.
2.Голографический метод анализа вибраций.
1.Светотехнические приборы для определения загрязненности гидросферы
1.1. Гидросфера
Гидросфера (от греч. hydor – вода и сфера) – прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твёрдой земной корой (литосферой) и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. В более широком смысле в состав гидросферы включают также подземные воды, лёд и снег Арктики и Антарктики, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах.
Основная масса воды гидросферы сосредоточена, в морях и океанах. Второе место по объёму водных масс занимают подземные воды, третье - лёд и снег арктических и антарктических областей. Поверхностные воды суши, атмосферные и биологически связанные воды составляют доли процента от общего объёма воды гидросферы (см. табл.1). Химический состав гидросферы приближается к среднему составу морской воды.
Таблица 1. Виды вод гидросферы
Виды вод | Название | Объём, млн. км3 | Количество по отношению к общему объёму гидросферы, % |
Морские воды | Морская | 1370 | 94 |
Подземные (за исключением почвенной) воды | Грунтовая | 61,4 | 4 |
Лёд и снег (Арктика, Антарктика, Гренландия, горные ледниковые области) | Лёд | 24,0 | 2 |
Поверхностные воды суши: озёра, водохранилища, реки, болота, почвенные воды | Пресная | 0,5 | 0,4 |
Атмосферные воды | Атмосферная | 0,015 | 0,01 |
Воды, содержащиеся в живых организмах | Биологическая | 0,00005 | 0,0003 |
Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре.
Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения.
На бытовое, промышленное и сельскохозяйственное водоснабжение расходуется до 3500 км3 в год пресной воды. Значительный объем пресной воды используется в сельском хозяйстве, в основном, на орошение. На производство 1 т азотной кислоты уходит более 100 м3 воды, на изготовление 1 т синтетического волокна и пластмасс – около 1000 м3 воды.
Бытовое потребление воды в современном городе составляет от 200 до 300 л на человека.
Всего в Российской Федерации ежегодно используется около 70 км3 (в 1998 г. использовано 66,2 км3 свежей воды, в 1997 г. – 70,2 км3), в том числе из поверхностных источников – 52,2 км3, подземных – 9,7 км3, морской воды – 4,3 км3.
Ныне структура водопотребления характеризуется следующим образом:
– производственные нужды – 55,9%;
– хозяйственно-питьевые нужды – 20,7%;
– орошение –13,6%;
– сельскохозяйственное водоснабжение – 3,3%;
– прочие нужды – 6,5%.
(Дополнительный материал: По данным государственного водного кадастра за 1998 г., наиболее водоемкой отраслью экономики являлась промышленность (рис. 1).
Рис. 1. Структура использования свежей воды отраслями экономики в 1998 г.).
1.2. Качество воды
Антропогенное изменение химического состава вод обусловлено попаданием в гидросферу огромного количества сточных вод, содержащих отходы промышленного и сельскохозяйственного производства, коммунально-бытовые стоки. Они уменьшают в реках, озерах и грунтовых водах количество растворенного в воде кислорода, изменяют условия разложения органических веществ, увеличивают концентрации азота, фосфора, различных металлов, хлорорганических соединений и прочих ядохимикатов и в конечном счеты влекут за собой ухудшение качества воды.
Качество воды – это характеристика состава и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования.
Качество воды оценивается комплексом разнообразных показателей. Основными показателями качества воды являются ионный состав, общее солесодержание, цветность, запах и вкус, жесткость, щелочность, содержание железа, марганца и некоторых других элементов.
Контроль требований к нормируемым показателям качества воды в водоемах осуществляют периодическим отбором и анализом проб воды из поверхностных водоемов (не реже одного раза в месяц).
В настоящее время наряду с анализом проб воды в лабораториях используют автоматические станции контроля качества воды, которые могут одновременно измерять 8…10 показателей качества воды:
- концентрацию растворенного в воде кислорода;
- температуру;
- уровень воды;
- концентрацию взвешенных частиц;
- концентрацию меди и т. д.
2.3. Методы анализа качества воды
Методы анализа качества воды основываются на использовании химических реакций или физико-химических и физических процессов. Существуют и другие методы анализа, например биологические. К последним можно отнести метод определения содержания сероводорода в воздухе по изменению интенсивности свечения некоторых бактерий, а также метод анализа некоторых веществ, основанный на наблюдении за движением мелких червей, гибнущих после добавления известной дозы этих веществ.
Физико-химические и физические методы, главным образом в зарубежной литературе, называют инструментальными, так как они обычно требуют применения приборов и измерительных инструментов. На первый взгляд, разные методы химического анализа не имеют между собой ничего общего, настолько различны их приемы, аппаратура и применение.
На самом же деле принцип определения химического состава любыми методами один и тот же: состав вещества определяется по его свойствам. Дело в том, что каждое вещество, отличающееся от других веществ своим составом и строением, обладает некоторыми индивидуальными, только ему одному присущими свойствами. Например, спектры испускания, поглощения и отражения веществом излучений имеют характерный для каждого вещества вид.
Определив свойства неизвестного вещества, можно отождествить его с одним из известных веществ, т. е. опознать, определить неизвестное вещество. Для такого качественного анализа достаточно исследовать несколько характерных аналитических свойств данного вещества или продуктов некоторых его реакций. Очень важно то, что многие свойства веществ могут быть легко использованы для получения сигналов, обнаруживающих эти вещества среди других веществ. Так, при нагревании вещество испускает лучи, то есть дает сигнал. Вещество также поглощает излучения, и благодаря этому можно заметить уменьшение интенсивности падающего на него светового сигнала.
Но каждое вещество всегда находится в некоторой совокупности с другими веществами. Часто это смесь веществ, например смесь газов или растворов, обычно жидких, но нередко и твердых. Даже если это так называемое чистое вещество, то и в нем присутствуют хоть в каких-то количествах многие «посторонние» химические элементы. Понятно, что сигналы интересующего нас вещества сливаются с сигналами сопутствующих и окружающих веществ, на фоне которых они (сигналы этого вещества) могут и не выделяться.
Известны следующие методы количественного анализа, применяемые при контроле качества воды:
1. Объемно-аналитические – измеряют объем раствора реагента известной концентрации, реагирующего с определяемым компонентом.
2. Массовые – измеряют массу труднорастворимого соединения, либо присутствующего в растворе в виде примеси.
3. Электрохимические:
а) потенциометрические – с помощью ионоселективных электродов измеряют активные концентрации отдельных ионов.
б) кондуктометрические – по удельной электрической проводимости раствора определяют концентрацию одного или нескольких ионов;
4. Методы структурного анализа (рентгенографический, кристаллооптический).
5. Оптические (фотометрические и спектральные) – устанавливают содержание определяемого компонента по результатам взаимодействия лучистой энергии с анализируемым веществом.
В соответствии с оптическими методами для контроля качества воды и определения загрязненности используется различные оптические и светотехнические приборы, в том числе, фотоколориметр и спектрофотометр.
2.4. Спектрофотометрия
Электроны, образующие оболочки атомов различных элементов, получив дополнительную энергию извне, могут переходить с основных орбиталей на возбужденные. Энергия такого возбуждения обычно лежит в интервале от 240 до 600 кДж/моль.
После кратковременного пребывания на возбужденных орбиталях электроны возвращаются в исходное состояние, излучая энергию в виде квантов электромагнитного излучения hn. Длина волны или частота этого излучения строго определяется величиной энергии возбуждения, т. е. разностью энергии основного E0 и возбужденного Ei состояний электрона.
Ei – E0= hn = hc/l.
Известны два типа спектров: спектры испускания и спектры поглощения.
Наибольшее практическое приложение электронной спектроскопии состоит в определении концентраций компонентов по закону Бугера-Ламберта-Бера.
При прохождении пучка света через слой окрашенного раствора толщиной l, отношение светового потока на выходе I к световому потоку на входе определяется как светопропускание (I/Iо). По шкале фотометра можно определить либо светопропускание, либо светопоглощение.
Закон Бугера-Ламберта-Бера отражает только физическую сторону колориметрических определений.
2.5. Спектрофотометры
Спектрофотометр (от спектр и фотометр) – спектральный прибор, который осуществляет фотометрирование, то есть сравнение измеряемого потока с эталонным (референтным) для непрерывного или дискретного ряда длин волн излучения.
Спектрофотометр обеспечивает отсчёт или автоматическую регистрацию результатов сравнения в соответствующей двумерной шкале: абсцисса – длина волны, ордината – результат фотометрирования на этой длине волны.
Для спектрофотометров характерны двухлучевые схемы. Рассмотрим некоторые из них.
В двухлучевых оптических схемах поток от источника разделяется на два пучка – основной и пучок сравнения (референтный). Чаще всего применяется двухлучевая схема «оптического нуля» (рис. 2), представляющая собой систему автоматического регулирования с обратной связью.
Рис. 2. Схема «оптического нуля» двухлучевого одноканального спектрофотометра:
И – источник излучения;
М – оптический модулятор (обтюратор);
О – исследуемый образец;
Ф – сканирующий фильтр (монохроматор);
П – фотоэлектрический приёмник излучения;
У – усилитель и преобразователь сигналов приёмника;
Р – аналоговый или цифровой регистратор.
К – оптический клин.
При равенстве потоков в двух пучках фотометра, попеременно посылаемых модулятором М на входную щель монохроматора Ф, система находится в равновесии, клин К неподвижен. При изменении длины волны пропускание образца меняется и равновесие нарушается – возникает сигнал разбаланса, который усиливается и подаётся на сервомотор, управляющий движением клина и связанным с ним регистратором Р (самописцем).
Клин перемещается до тех пор, пока вносимое им ослабление референтного потока не компенсирует ослабления, вносимого образцом О. Диапазон перемещения клина от полного закрытия до полного открытия согласуется со шкалой (от 0 до 100%) регистратора коэффициента пропускания образца.
Обычно спектрофотометр записывает спектры на бланках с двумерной шкалой, где абсциссой служат длины волн l или волновые числа V0 (в cм-1), ординатой – значения коэффициента пропускания Т (в % ) или оптической плотности D = –lgT (здесь 0 £ Т £ 1).
2.Голографический метод анализа вибраций
Голография (от греч. holos – весь, полный и ...графия) – метод получения объёмного изображения объекта, основанный на интерференции волн. Идея голографии была впервые высказана Д. Габором (Великобритания, 1948 г.), однако техническая. реализация метода оказалась чрезвычайно сложной и голография не получила распространения. Только с появлением лазеров открылись возможности практического использования голографии в различных областях техники.
Принцип голографии. Обычно для получения изображения объекта фотографическим методом пользуются фотоаппаратом, который фиксирует на фотопластинке излучение, рассеиваемое объектом. Это изображение складывается из получающихся на каждом участке светочувствительной поверхности изображений соответствующих точек объекта. При этом трёхмерные объекты регистрируются в виде плоских двухмерных изображений.
В процессе фотографирования на фотопластинке фиксируется лишь распределение интенсивности, то есть амплитуды электромагнитной волны, отражённой от объекта (интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды).
Однако световая волна при отражении от объекта изменяет не только амплитуду, но и фазу в соответствии со свойствами поверхности объекта в данной точке.
Голография представляет собой процесс регистрации на фотопластинке не только амплитуд, но и фаз световых волн, рассеянных объектом. Для этого на фотопластинку одновременно с волной, рассеянной объектом (сигнальная волна), необходимо направить вспомогательную волну, идущую от того же источника света (лазера), с фиксированной амплитудой и фазой (опорная волна (рис. 3).
Рис. 3. Получение голограммы в случае интерференции двух плоских световых волн (опорной и сигнальной):
q – угол между направлениями распространения опорной и сигнальной волн;
d – расстояние между соседними тёмными полосками интерференционной картины.
Интерференционная картина (чередование тёмных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, содержит полную информацию об амплитуде и фазе сигнальной волны, что позволяет получить более полную информацию об объекте. Зафиксированная на светочувствительной поверхности интерференционная картина после проявления называется голограммой. Если рассматривать голограмму в микроскоп, то в простейшем случае видна система чередующихся светлых и тёмных полос (рис. 4). Интерференционный узор реальных объектов весьма сложен.
Рис. 4. Структура голограммы, видимая в микроскоп
Для того, чтобы увидеть изображение предмета, голограмму необходимо просветить той же опорной волной, которая использовалась при её получении.
(Дополнительный материал:
В простейшем случае – интерференции двух плоских волн (двух параллельных пучков) – голограмма представляет собой обычную дифракционную решётку. Плоская волна, падая на такую голограмму, частично проходит сквозь неё, сохраняя прежнее направление, а частично вследствие дифракции преобразуется в две вторичные плоские волны, распространяющиеся под углом q (рис. 5). Угол q связан с шагом решётки d и длиной световой волны (лямбда) формулой:
.
Рис. 5. Восстановление изображений с помощью голограммы
Как видно из рисунка, волна, которая идёт «вниз», является как бы продолжением сигнальной волны, использовавшейся при съёмке голограммы (рис. 3). Поэтому она ничем не отличается от волны, идущей от объекта при непосредственном его наблюдении. Таким образом, при просвечивании голограммы восстанавливается та же самая волна, которая исходила от объекта. В результате этого наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, увидит мнимое изображение объекта в том месте, где объект находился при съёмке. Волна, идущая «вверх» (рис. 3), также содержит информацию об объекте и образует его действительное изображение).
Рис. 6. Получение голограммы точечного объекта
Голографическое изображение является объёмным, причём зрительное восприятие этого изображения ничем не отличается от восприятия исходного объекта.
При использовании импульсных лазеров, обеспечивающих световое излучение в течение очень коротких промежутков времени (до 10-9 с), можно получать голограммы объектов, движущихся со скоростями порядка 1000 м/с. Это открывает возможность фиксировать и анализировать быстропротекающие процессы.
Перспективно применение импульсной голографии в интерферометрии. На одной и той же фотопластинке в различные моменты времени записываются 2 голограммы исследуемого объекта. При восстановлении обе волны, несущие информацию об объекте, накладываются друг на друга. Если за время между экспозициями с объектом произошли какие-либо изменения, то на восстановленном изображении появляется система интерференционных полос. Расшифровывая полученную интерференционную картину, можно определить происшедшие изменения. Этот метод позволяет измерять очень небольшие (порядка долей мкм) деформации объектов со сложной формой поверхности, обусловленные вибрацией, нагреванием и т. п.
