ORGANIZATION OF GEOENVIRONMENTAL MONITORING OF GAS EMISSIONS IN THE ARCTIC: METHODS AND PROSPECTS OF ADVANCED WIRELESS TECHNOLOGIES

The tools and techniques to monitor emission of greenhouse gases in the Russian Arctic are discussed. The limitations of traditional methods of gas monitoring are defined on the basis of observations of lithosphere hydrogen and methane in the Khibiny and Lovozero tundra and published data. It is proposed to use new monitoring methods based on wireless sensor systems. The whole set of problems of monitoring in Arctic conditions are considered by the example of the central part of the Kola Peninsula. The main problem to be solved for construction of such systems is the development of specialized low-energy gas sensors. The important point is the integration of complex hardware and soſt ware technologies into integrated effective monitoring system.

1. Адушкин В. В., Кудрявцев В. П., Хазинс В. М. Водородная дегазация Земли и озоновые аномалии // Докл. Рос. акад. наук. — 2006. — T. 406, № 2. — С. 241—243.
2. Аршинов М. Ю., Белан Б. Д., Давыдов Д. К. и др. Вертикальное распределение парниковых газов над Западной Сибирью по данным многолетних измерений // Оптика атмосферы и океана. — 2009. — Т. 22, № 5. — C. 457—464.
3. Быкова Н. Сибирский СО₂ поставили на счетчик // http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=91313#.VRzeGfmsV8E.
4. Войтов Г. И. Химические и изотопно-углеродные нестабильности спонтанных газов сейсмически активных областей // Геохимия. — 2000. — № 11. — С. 1185—1208.
5. Глаголев М. В., Сирин А. А., Лапшина Е. Д., Филиппов И. В. Изучение потоков углеродсодержащих газов парниковых газов в болотных экосистемах Западной Сибири // Вестник ТГПУ. — 2010. — Вып. 3 (93). — С. 120—128.
6. Икорский С. В., Нивин В. А., Припачкин В. А. Геохимия газов эндогенных образований. — СПб.: Наука, 1992. — 179 с.
7. Кароль И. Л., Киселев А. А. Атмосферный метан и глобальный климат // Природа. — 2004. — № 7. — С. 47—52.
8. Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Мурманской области в 2013 году. — Н. Новгород: ИП Кузнецов Н. В., 2014. — 152 с.
9. Нивин В. А. О возможных газогеохимических и газодинамических критериях оценки тектонофизического состояния локальных участков изверженных горных пород // Докл. АН СССР. — 1989. — T. 308, № 6. — С. 1453—1457.
10. Нивин В. А. Основные принципы и меры газобезопасного ведения подземных горных работ на рудниках ПО «Апатит» // Гор. журн. — 1991. — № 8. — С. 34—36.
11. Нивин В. А. Газовые компоненты в магматических породах: геохимические, минерагенические и экологические аспекты и следствия: Автореф. ... д-ра геол.-минер. наук / ГЕОХИ РАН. — М., 2013. — 51 с.
12. Николаев И. Н., Литвинов А. В., Емелин Е. В. Механизм чувствительности МДП-сенсоров к концентрациям газов // Датчики и системы. — 2006. — № 7. — С. 66—73.
13. Сайт компании ООО «ЭйСиЭс» («Advanced Complex Systems») // http://www.acs-spb.ru.
14. Сергиенко В. И., Семилетов И. П., Шахова Н. Е. Эмиссия метана и углекислого газа на Восточно-Сибирском шельфе — фактор глобальных климатических изменений // Материалы выездного совместного совещания Совета РАН по координации деятельности региональных отделений и региональных НЦ РАН и научного совета РАН по изучению Арктики и Антарктики, 31 марта — 3 апреля 2010 г., Архангельск. — [Б. м.], 2011. — С. 117—136.
15. Степаненко В. М. Моделирование и мониторинг парниковых газов в зоне вечной мерзлоты: [Доклад] // Математическое моделирование геофизических процессов: прямые и обратные задачи [Семинар] / НИВЦ МГУ. — М., 14 апр. 2011. — 32 с.
16. Сывороткин В. Л. Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы. — М.: ООО «Геоинформцентр», 2002. — 250 с.
17. Сывороткин В. Л. Глубинная дегазация, озоновый слой и погодные аномалии в Северном полушарии летом 2013 г.: майская жара и июльский холод в Центральной России; июньские наводнения и июльская жара в Европе, жара в Гренландии // Пространство и время. — 2013. — № 3 (13). — С. 163—171.
18. Тимашев С. Ф., Нивин В. А., Сывороткин В. Л., Поляков Ю. С. Фликкер-шумовая спектроскопия в анализе динамики выделения водорода в Хибинском и Ловозерском массивах (Кольский полуостров) // Динамические явления в сложных системах. — Казань: МОиНРТ, 2011. — С. 263—278.
19. Хитаров Н. И., Кравцов А. И., Войтов Г. И. и др. Газы свободных выделений Хибинского массива // Совет. геология. — 1979. — № 2. — С. 62—73.
20. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2013 год / Г. М. Черногаева, Ю. В. Пешков, М. Г. Котлякова, В. Д. Смирнов (ред.). — М.: РОСГИДРОМЕТ, 2014. — 228 с.
21. Шахова Н. Е. Метан в морях Восточной Арктики: Автореф. ... д-ра геол.-минерал. наук / Ин-т океанологии им. П. П. Ширшова РАН. — М., 2010. — 53 с.
22. Ahalya G., Suresh Babu P., Prabhakar Rao P. Development of coal mine safety system using wireless sensor networks // Intern. J. of Engineering Science & Advanced Technology. — 2013. — Vol. 3, iss. 3. — P. 74—78
23. Akylidiz I. F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E.  Wireless sensor networks: a survey // Computer Networks. — 2002. — Vol. 38. — P. 393—422.
24. Baronti P., Pillai P., Chook V. W. C. et al. Wireless sensor networks: A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards // Computer Communications. — 2007. — Vol. 30. — P. 1655—1695.
25. Broring A., Beltrami P., Lemmens R. L. G., Jirka S. Automated Integration of Geosensors with the Sensor Web to Facilitate Flood Management // Approaches to Managing Disaster — Assessing Hazards, Emergencies and Disaster Impacts Disaster Management. — Rijeka, Croatia: InTech, 2012. — P. 66—89.
26. Collins F., Orpen D., Maher D. et al. Distributed Chemical Sensor Networks for Environmental Sensing // SENSORDEVICES 2011: The Second International Conference on Sensor Device Technologies and Applications. — [S. l.], 2011. — P. 58—64.
27. Collins F., Orpen D., McNamara E. et al. Web-Based Monitoring of Gas Emissions from Landill Sites using Autonomous Sensing // STRIVE Report Series No.124 Environmental Protection Agency Programme 2007—2013. — [S. l.]: DublinCity Univ., 2014. — 45 p.
28. Di Martino R. M. R., Camarda M., Gurrieri S., Valenza M. Continuous monitoring of hydrogen and carbon dioxide at Mt Etna // Chemical Geology. — 2013. — Vol. 357. — P. 41—51.
29. Diamond D., Collins F., Cleary J., Zuliani C. Distributed Environmental Monitoring // Autonomous Sensor Networks. Collective Sensing Strategies for Analytical Purposes. — Vol. 13 / Ed. Daniel Filippini. — Heidelberg; New York; Dordrecht; Berlin, 2013. — P. 321—365.
30. Evans W. C., Bahr A., Martinoli A. Evaluating efficient data collection algorithms for environmental sensor networks // Springer Tracts in Advanced Robotics. — 2013. — Vol. 83. — P. 77—89.
31. Faber E., C. Moran, Poggenburg J. et al. Continuous gas monitoring at Galeras Volcano, Colombia: first evidence // J. of Volcanology and Geothermal Research. — 2003. — 125. — P. 13—23.
32. Gibson D., MacGregor C. A NovelSolidState Non-Dispersive Infrared CO2 Gas Sensor Compatible with Wireless and Portable Deployment // Sensors. — 2013. — Vol. 13. — P. 7079—7103.
33. Gungor V. C., Hancke G. P. Industrial wireless sensor networks: Applications, Protocols, and Standards. — [S. l.]: Taylor & Frances Group., CRC Press, 2013. — 359 p.
34. Hart J. K., Martinez K. Environmental Sensor Networks: A revolution in the earth system science? // EarthScience Reviews. — 2006. — 78. — P. 177—191.
35. He Jinxin, Li J., Haowen Yan. Environmental Sensor Networks: A Review of Critical Issues // Advances in MSEC / D. Jin and S. Lin (eds.). — 2011. — Vol. 2; AISC. — 2012. — Vol. 129. — P.425—429.
36. Islam Md. Motaharul, Mohammad Mehedi Hassan, Ga-Won Lee, Eui-Nam Huh. A Survey on Virtualization of Wireless Sensor Networks // Sensors. — 2012. — Vol. 12. — P. 2175—2207.
37. Kassal P., Steinberg I. M., Steinberg M. D. Wireless smart tag with potentiometric input for ultra low-power chemical sensing // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2013. — Vol. 184, № 31. — P. 254—259.
38. Advanced Environmental Monitoring / Y. J. Kim & U. Platt (eds.). — [S. l.]: Springer, 2007. — 437 p.
39. Guenther A. Trace gas emission measurements // Environmental monitoring handbook / F. F. Burden, D. Donnert, T. Godisg, I. McKelvie. — [S. l.], 2004. — P. 24.1—24.18.
40. La Spina A., Burton M., Salerno G. G. Unravelling the processes controlling gas emissions from the central and northeast craters of Mt.Etna // J. of Volcanology and Geothermal Research. — 2010. — Vol. 198. — P. 368—376.
41. Lee K., Alrawahi A. S., Toohey D. Enabling Commodity Environmental Sensor Networks Using Multi-Attribute Combinatorial Marketplaces // 19th Asia-Pacific Conference on Communications, APCC 2013. — [S. l.], 2013. — P. 115—120.
42. Lewicki J. L., Bergfeld D., Cardellini C. et al. Comparative soil CO₂ flux measurements and geostatistical estimation methods on Masaya volcano, Nicaragua / Lawrence Berkeley National Laboratory. — [S. l.], 2004. — 47 p. (http: escholarship.org/uc/item/8tb2v75h).
43. Mandal R., Kumar A., Kingson T. M. G. et al. Application of Programmable Logic Controller for Gases Monitoring in Underground Coal Mines // IRACST — Engineering Science and Technology: An International J. (ESTIJ). — 2013. — Vol. 3, № 3. — P. 516—522.
44. Mans M.-A., Wachowicz M. GIS Design: A Review of Current Issues in Interoperability // Geography Compass. — 2009. — Vol. 3/3. — P. 1105—1124.
45. Mazzolai B., Mattoli V. From Sensor Networks to Autonomous Networked and Cooperating Platforms for Environmental Monitoring: Rep. project EMECAP (European Mercury Emissions from Chlor. — [S. l.], 2007. — 8 p.
46. Nittel S. A survey of geosensor networks: Advances in dynamic environmental monitoring // Sensors. — 2009. — Vol. 9 (7). — P. 5664—5678.
47. Nivin V. A., Belov N. I., Treloar P. J., Timofeyev V. V. Relationships between gas geochemistry and release rates and the geomechanical state of igneous rock massifs // Tectonophysics. — 2001. — Vol. 336, № 1—4. — P. 233—244.
48. Notsu K., Mori T. Chemical monitoring of volcanic gas using remote FT-IR spectroscopy at several active volcanoes in Japan // Applied Geochemistry. — 2010. — Vol. 25. — P. 505—512.
49. Rajadurai R., Tamilvanan S., Mathai G. J. Automatic Detection of Coal Mine Monitoring System using Wireless Sensor Network // IJAIR. — 2013. — Vol. 2, iss. 3. — P. 694—698.
50. Rundel P. W., Graham E. A., Allen M. F. et al. Environmental sensor networks in ecological research // New Phytologist. — 2009. — Vol. 182, № 3. — P. 589—607.
51. Shu L., Wu C., Zhang Y. et al. NetTopo: Beyond Simulator and Visualizer for Wireless Sensor Networks // Second International Conference on Future Generation Communication and Networking. — [S. l.], 2008. — P. 17—20.
52. Sukwon Choi, Nakyoung Kim, Hojung Cha, Rhan Ha. Micro Sensor Node for Air Pollutant Monitoring: Hardware and Software Issues // Sensors. — 2009. — Vol. 9. — P. 7970—7987.
53. Taheriazad L., Portillo-Quintero C., Sanchez-Azofeifa A. Application of Wireless Sensor Networks (WSNs) to Oil Sands Environmental Monitoring: Report project OSRIN / Centre for Earth Observation Sciences (CEOS), University of Alberta. Canada. — [S. l.], 2014. — 51 p. — (Rep. N. TR-48). (http://www.handle.net/10402/era).
54. Yang Chaowei, Raskin R., Goodchild M., Gahegan M. Geospatial Cyberinfrastructure: Past, present and future // Computers, Environment and Urban Systems. — 2010. — Vol. 34. — P. 264—277.
55. Zimmer M., Erzinger J. Continuous H2O, CO2, Rn222 and temperature measurements on Merapi Volcano, Indonesia // J. of Volcanology and Geothermal Research. — 2003. — Vol. 125. — P. 25—38.