Застосування тепловізора для дослідження стану мерзлоти і пластових льодів

1. Зміст статті
2. Теплобачення і тепловізор
3. Навіщо потрібні тепловізори?
4. термограма мерзлоти
5. Розглянемо приклади використання компактних тепловізорів в геокриологии.
6. Термограмми при дослідженні умов теплообміну
7. висновок
8. Практичну цінність має контроль роботи охолоджувальних пристроїв.
9. Термограмми наочно демонструють промерзлі ділянки ґрунту
10. авторизованого

У статті вперше показана можливість широкого застосування тепловізорів при геокриологических дослідженнях: стану мерзлоти, зокрема стану повторно-жильних і пластових льодів, термічних просадок, умов теплообміну на поверхні, роботи охолоджувальних пристроїв і ін. Представлені приклади термограмм, використовуваних в науково-виробничих роботах, які можуть бути застосовні в навчальному процесі університетів і шкіл.

Зміст статті

Вічна мерзлота

Вічна мерзлота - це стан землі, де грунт знаходиться на рівні або нижче точки замерзання води (0 ° C) протягом двох або більше років. У Китаї, Сибіру, ​​північній частині Канади, Алясці і Гренландії великі території покриті вічною мерзлотою. Будь-яка діяльність людини в районах вічної мерзлоти скрутна.

Будівництво будинків, будівництво доріг або трубопроводів в умовах мерзлоти повинні будуватися з використанням спеціальних технологій. Тепловізори допомагають дослідити і швидко виявляти області грунту з вічною мерзлотою, на основі отриманих даних, інженери можуть знаходити найбільш сприятливі місця для будівництва будівель, проектувати і планувати інженерно-геокріологіческіх моніторинг стану автомобільних і залізних доріг, основ будівель і інженерних споруд на многолетнемерзлих грунтах.

Інститут геоекології РАН організували наукову експедицію в Забайкальський край для вивчення вічної мерзлоти. Студенти та науковці для вивчення промерзлій грунту використовували тепловізор , Наданий компанією АТ «ПЕРГАМ-ІНЖИНІРИНГ».

Теплобачення і тепловізор

Можливості людських органів почуттів обмежені. І все ж завдяки технічним досягненням ми можемо зазирнути за межі видимого світу. Здатні побачити незриме, наприклад, температуру земної поверхні. Теплове (або інфрачервоне) випромінювання за своєю природою аналогічно світла, але не викликає зорового образу. Це - частина електромагнітного спектра в діапазоні довжин хвиль λ = 0,75мкм - 100мкм і більш, яку ми сприймаємо як тепло, але не бачимо. Інфрачервоні промені випускаються тілами, що мають температуру вище 0˚K. Загальна кількість енергії, що випромінюється в одиницю часу одиницею поверхні, що випромінює, називають випромінювальною здатністю E (Вт / м²) інфрачервоного (ІК) випромінювача. Радіаційну здатність, віднесену до інтервалу довжин хвиль dλ, називають інтенсивністю випромінювання I (Вт / м² ∙ мкм).

При одній і тій же температурі поверхні випромінювальна здатність реальних матеріалів менше, ніж випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла, що враховується коефіцієнтом випромінювання ε, який має різні значення: для граніту, чавуну ≈ 0,45; полірованої міді, латуні, хрому ≈ 0,05; асфальту, скла, льоду ≈ 0,9. Значення коефіцієнта випромінювання використовуються при розрахунку температури тіла при відомій випромінювальної здатності. Отримання видимого зображення об'єктів за їх власним, або відбитому від них інфрачервоного випромінювання називають тепловидения. Воно відкриває для дослідника те, що неможливо побачити неозброєним оком. ІК-камери або тепловізори фіксують інфрачервоне випромінювання і дозволяють отримати дані про температуру об'єкта дистанційно. Цей факт робить портативну ІК-камеру незамінним інструментом в польових і лабораторних дослідженнях.

Навіщо потрібні тепловізори?

У техніці тепловізори потрібні для того, щоб контролювати передачу енергії, міцність деталей машин і механізмів, зокрема, температурні напруги, теплоізоляцію будівель і споруд. У будівництві тепловізори використовуються для контролю температури асфальту і бетону, контролю енерговитрат (так званий енергоаудит).

У біології - це дослідження теплопродукції живих організмів і окремих органів в залежності від добових і сезонних циклів. У медицині - діагностика судинних, запальних і пухлинних захворювань, спостереження за ефективністю лікування, експрес-контроль при карантинних заходах.

Мал. 1. Охолоджуючі пристрою всередині полотна автодороги на Алясці

Тепловізори дозволяють вести протипожежний моніторинг лісових масивів і торфовищ, стежити за станом вулканів. тепловізор використовують при пошуку корисних копалин, при аналізі витоку газу або нафти, вод в опалювальних системах і теплотрасах, при аналізі ефективності роботи кондиціонерів і охлаждающе-отепляющее установок, для визначення джерел підземних вод. Люди активно почали використовувати сучасні технічні засоби дистанційного зондування, в тому числі тепловізори для геокриологических досліджень при проектуванні і моніторингу автомобільних і залізних доріг (рис.1).

Мал. 2. Охолоджуючі пристрої, що працюють ефективно (знімок зліва) і неефективно (знімок праворуч) уздовж лінійних об'єктів

2000 року фахівці Бамовська мерзлотной станції за допомогою тепловізора оперативно визначають працездатність охолоджувальних установок і штучних споруд (рис.2), при аеротепловізіонной діагностиці - систем температурної стабілізації ґрунтів на лінійно-протяжних об'єктах Сибіру (рис.3) (Стрижков, 2012).

Мал. 3. Обстеження газопроводів і систем температурної стабілізації ґрунтів на лінійно-протяжних об'єктах протягом аеротепловізіонной зйомки

Застосування тепловізора в геокриологии безумовно виправдане в двох основних випадках:

• для оцінки контрастності «малюнка» температури земної поверхні різних ландшафтів;
• для усередненої оцінки температури поверхні гірських порід (грунту) на ділянках, де контактні вимірювання утруднені або неможливі.

Безумовно завжди варто враховувати метод виключення помилок вимірювань.

термограма мерзлоти

За визначенням мерзлота - це тверді гірські породи, температура яких залишається нижче 0ºС більше двох років. З даного визначення випливає, що температура є найважливішою характеристикою мерзлоти, і її вимірювання є інструментом вивчення цієї самої мерзлоти (рис.4).

Мал. 4. Мерзлота в шурф на глибині 20 см в Чарской улоговині (серпень 2013)

ІК-камера являє собою пристрій, дистанційно фіксує інфрачервоне випромінювання і перетворює його в електронний сигнал, який обробляється і виводиться на екран у вигляді тепловізійного зображення (термограмми), що включає температурні дані об'єкта (рис.5).

Мал. 5. Використання ІК-камери (тепловізора) в польових умовах при дослідженні повторно-жильних льодів в оголенні р.Чара (серпень 2013)

Отримана інформація у вигляді термограмм піддається кількісному і якісному аналізу, що дозволяє побачити теплові властивості об'єкта на моніторі і обробити їх за допомогою спеціального програмного забезпечення. Тепловізори використовуються для визначення розподілу і зміни температури в реальному часі, дозволяючи ГЕОКРІОЛОГІЇ побачити і заміряти відносне теплове поле, термоконтрасти, розсіювання, підземні льоди і розвиток термічних просадок по ним.

Розглянемо приклади використання компактних тепловізорів в геокриологии.

Штольні, тунелі. У 1984 році під час проходки Кодарского тунелю трапився обвал. Аварії можна було уникнути при регулярному вимірюванні температури ґрунтів по всьому периметру тунелю, а не тільки по нижніх відмітках. Оперуючи термограммами, можна було б вчасно вжити необхідних заходів з підтримки температурного режиму і кріпленню зводу. Але для того, щоб вести постійні вимірювання температури склепінням тунелю, треба було б організувати до нього доступ для періодичного, досить частого вимірювання температури, або змонтувати і постійно нарощувати систему термодатчиков, що закріплюються на зводі, зв'язавши їх проводами з апаратурою (В.Шилов, 1984). На малюнку 6 представлені термограмми штольні в Удоканского хребті, пройденої в умовах схожих з Кодарскім тунелем.

Мал. 6. Термограмми по периметру штольні в Удоканского хребті (серпень 2013)

Мал. 7. Виявлення повторно-жильних льодів в відкладеннях I надзаплавної тераси р. Чара тепловізором на відстані 400 м (серпень 2013)

Мал. 8. Виявлення повторно-жильних льодів в відкладеннях I надзаплавної тераси р. Чара тепловізором на відстані 100 м (серпень 2013)

Підземні льоди. Навіть дуже холодні об'єкти, такі як підземні льоди, випускають інфрачервоне випромінювання. ІК-камери дозволяють безпомилково виявити повторно-жильні льоди на відстані до 400-500 м і виміряти температуру підземних льодів на локальних ділянках (рис.7, рис.8, рис.9).

Мал. 9. Виявлення повторно-жильних льодів тепловізором біля підніжжя I надзаплавної тераси річки Чара (серпень 2013)

При обробці термограмм можна отримати контрастне зображення кріогенних текстур (рис.10), які на звичайних фотографіях не помітні, і тому зображуються ГЕОКРІОЛОГІЇ у вигляді малюнка в польовому щоденнику. Не кожен ГЕОКРІОЛОГІЇ володіє художніми здібностями, до того ж погодні умови не завжди сприяють багатогодинного замальовування оголення з високольдістимі відкладеннями.

Мал. 10. Контрастне уявлення кріогенних текстур з повторно-жильними льодами в оголенні I надзаплавної тераси р. Чара (серпень 2013)

Термічні просадки земної поверхні. Однією з прикладних задач вивчення підземних льодів і високольдістих грунтів є виявлення проблемних ділянок і їх рішення на лінійних і майданних об'єктах, що знаходяться в мерзлоті. Теплові просадки можуть виникати як на антропогенному об'єкті, так і в природних умовах. Наприклад, при протаивания повторно-жильних льодів, зображених на малюнках 7-10, утворилися термічні просадки як у видаленні від автодороги (рис.11), так і поперек її полотна (рис.12).

Мал. 11. Природна термічна просадка по повторно-жильним кригами на I надзаплавноїтерасі р.Чара в видаленні від автодороги (серпень 2013)

Мал. 12. Термічна просадка по повторно-жильним кригами на I надзаплавноїтерасі р.Чара, що межує з автодорогою і розвивається на її насипом (серпень 2013)

Синім і блакитним кольором на термограмме зафіксований підземний лід і відтає область навколо нього в осіданні.

Вулкани. Тепловізор допомагає вченим скоротити час на вибір ділянки для буріння в пошуках мерзлоти на вулканах, де потенційно може існувати мерзлота. Професор Університету Аляски Кенджи Йошикаву протягом трьох років проводив наукові експедиції на вершину найвищої гори Африки - Кіліманджаро (5985 м). Мета експедицій є фундаментальною, основне завдання яких зводиться до виявлення мерзлоти саме в тропічних широтах, де її існування раніше не було позначено. Обрано ряд високогір'я в тропічній зоні, як правило це вулкани, на вершинах яких фіксуються негативні середньорічні температури повітря та інші умови, що сприяють утворенню мерзлоти. Вночі на термограмме можна побачити кілька теплих ділянок (рис.13).

Мал. 13. Теплі ділянки в районі кратера вулкана Кіліманджаро

Температура в кратері становить понад 30 ° С (червоно-помаранчевий колір). Навіть температура поверхні кратера синього кольору висока близько 10-20 ° С. Тепловізор допомагає швидко встановити місця, де мерзлота не може існувати, не дивлячись на середньорічну температуру повітря на вершині вулкана рівну -6 ° С.

Термограмми при дослідженні умов теплообміну

Розглянемо термограмми, корисні для аналізу теплопередачі в гірських породах і навколишньому середовищу (рис. 14, рис.15).

Мал. 14. Дорожня колія - джерело порушення умов теплообміну на поверхні (серпень 2013)

Мал. 15. Конвективний теплообмін в межах кочкарніковой тундри Аляски (лютий 2007 року)

Схилові відкладення. На ділянках Незімкнуті рослинності (куруми, полярні пустелі, бархани пісків, що розвіваються) тепловізор дає дані про розкид значень температури денної поверхні, що дуже цінно для калібрування моделей температурного режиму гірських порід (рис.16).

Мал. 16. Схилові відкладення хребта Кодар (знімок зліва - 03/08/2013 і знімок праворуч - 05/08/2013)

Перспективно також використання тепловізора при вивченні гірських виробок і природних пористих тіл (зокрема, курумов), істотно змінюють характеристики температурного поля гірських порід. Контраст температури на поверхнях з рослинністю і на брилах курумов видно на термограммах (рис.17).

Мал. 17. Контраст температур поверхні схилових відкладень (теплі ділянки відповідають курумов) хребта Удокан (серпень 2013)

Цікаво, що на термограмме куруми тепліше, хоча вони мають охолоджуючий ефект, і температура курумов на 2 ° С нижче, ніж оточуючих грунтів. За допомогою тепловізора можливо вимірювати конвективний потоків повітря серією кадрів, на яких буде помітно рух повітря.

Снежники. Складування великих обсягів забруднених сніжним мас, які прибираються з вулиць міста Южно-Сахалінська, привело в формуванню багаторічних сніжників на околиці міста (рис.18), прирівнюваних до категорії відходи (Лобкін, Генсіоровскій, 2012). Існування цього сніжника веде до утворення мерзлоти, що не властиво природним умовам південного Сахаліну.

Можна визначити напрямок стоку забруднених талих вод і зробити прогноз забруднення прилеглої до сміттєзвалища території і водних об'єктів. Тепловізор фіксує негативну температуру. Це означає, що за літній період не вистачає тепла, щоб змінити стан снігу. Такі умови теплообміну на поверхні. За допомогою тепловізора ці умови можна встановити точно.

Мал. 18. Забруднене сніжник на околиці міста Южно-Сахалінська (автор Лобкін В.А.)

Вихрові структури. Циклонічні вихрові структури (вири, конвективні осередки) - вихори, викликані циркуляційними рухами були виявлені в одному з бочагах кочкарники в Чарской улоговині в серпні 2013 (рис.19). Глибина бочага близько 1,4 м, на дні шар м'якого мулу в 10 см, під мулом багаторічний мерзлий грунт.

Мал. 19. Вихрові структури на термограмме і теплі ринги Гольфстріму на супутниковому знімку (справа)

Ширина вихорів 5 -7 с м. Певне, ми спостерігаємо змішання вод з різною температурою. Більш холодний потік впроваджується в теплу воду. Це або поверхневий стік і конвективні осередки, або апвелінг. Невідомо, чи мав місце додатковий прогрів водоростей та інших найпростіших на поверхні водойми, і чи були вони в достатній кількості, щоб їх власна температура позначилася на результаті вимірювання. Максимальна різниця між теплим і холодним потоком становить 0,9 градуса. Ринги, синоптичні та спіральні вихри в поле температури поверхні океану добре видно на знімках з космосу, отриманих в інфрачервоному діапазоні спектра (рис. 19).

Вихори можуть бути також виявлені на поверхні океану за температурними фронтах на їх периферії: у інтенсивних вихорах перепад температур може становити 0,5-3 ° С. Вихори і вихрові структури можуть бути виявлені за зниженою або підвищеній температурі морської поверхні в ІК-діапазонах.

висновок

Чому цікаво дізнатися всі можливості, якими володіє ІК-камера, при дослідженні мерзлоти?

Представлені приклади термограмм, використовуваних в науково-дослідних і виробничих роботах, показують широкі можливості застосування тепловізорів в геокриологических дослідженнях. Стають можливими комплексні дослідження, що складаються у виявленні мерзлоти, фіксації форми і розмірів підземних льодів, визначення температурного поля.

Важливо, що ці дані про мерзлоті можуть поєднуватися з можливістю вивчення конвективного теплообміну (виявлення конвективних потоків повітря в гірничих виробках та природних пористих тілах, зокрема, в курумов).

Практичну цінність має контроль роботи охолоджувальних пристроїв.

Поки в стороні залишається важливе питання про визначення температури поверхні для розрахунку теплового балансу грунту з атмосферою в природних і порушених умовах. Але видається, що в поєднанні з актинометричні і мікрометеорологіческімі спостереженнями використання тепловізора істотно підвищить точність розрахунку.

Крім використання тепловізорів в практичній можливості їх використання для фундаментальних досліджень в лабораторних умовах. Наприклад, вивчення процесів промерзання-протаивания грунтів або вивчення бактерій мерзлоти допоможуть відповісти на давно поставлені запитання і змусять задуматися про нові. Наочна візуалізація температури на термограммах, одержуваних тепловізором, допомагає вдосконалити навчання студентів.

Термограмми наочно демонструють промерзлі ділянки ґрунту

Термограмми відображають Різні картини мерзлоти проявів. Технічний фахівець, Який працює з тепловізором на заводі, що не зможу Передбачити и поясніті температурні «цікавинки» для ГЕОКРІОЛОГІЇ, но в тій же година ГЕОКРІОЛОГІЇ, як дослідніку природних процесів, складно врахуваті всі рекомендації по правільній тепловізійної зйомці, оскількі об'єктом Вивчення ГЕОКРІОЛОГІЇ є природа з великим наборів умов і факторів, що формують температуру мерзлоти. Проблеми виникають, зокрема, з «нічним життям» ГЕОКРІОЛОГІЇ, який бажає отримати коректні знімки, що відображають точну температуру земної поверхні без впливу сонячної активності. Це зробити буває досить складно, зважаючи на тимчасових інтервалів охолодження земної поверхні (вночі) і погодних умов (дощ, туман), тому в статті представлені в основному знімки, зроблені в денний час.

ГЕОКРІОЛОГІЇ повинні бути впевнені, що тепловізійний метод вивчення мерзлоти призведе до розширення можливостей вивчення температурного стану мерзлоти і не призведе до помилкового аналізу і висновків, зроблених на основі некоректно знятих і проінтерпретувати термограмм. Приклади вище показують, що при відповідному підході до проблеми використання тепловізора в геокриологических дослідженнях висловлені труднощі можуть бути подолані.

авторизованого

• Сергєєв Д.О., к.г-м.н., Станіловского Ю.В., Савельєв К.В.,
• Федеральне державне бюджетна установа науки Інститут геоекології ім.Е.М. Сергєєва РАН
• К. Йошикаву, Університет Аляски, Фейрбенкс, США
• К.В. Савельєв, Міжнародний незалежний еколого-політологічний університет, Москва

література

1. Лобкін В.А., Генсіоровскій Ю.В. Проблеми розміщення снігових полігонів на урбанізованих територіях (на прикладі м Південно-Сахалінська) // Вісник ДВО РАН, Владивосток: Видавництво «Дальнаука» ДВО РАН, № 3, 2012. c. 97-102.
2. Стрижков С.Н., Загребнев А.С .. Аеротепловізіонние дослідження систем температурної стабілізації грунту на об'єктах трубопровідного транспорту // Трубопровідний транспорт, №4 (32) 2012, с.8-12.
3. Шилов В. Де затрималася бригада Варшавського // газета «Радянська Росія», 3 червня 1984.
4. Permafrost in our time. Edited and compiled by Kenji Yoshikawa. University of Alaska Fairbanks Permafrost Outreach Program, 2013, pp.300.