Общие сведения о методах наблюдения

СРС 1. Мониторинг антропогенных изменений окружающей природной среды

В данном разделе рассмотрена классификация видов мониторинга, в которой за основу взяты различные природные среды. Объектами экологического мониторинга являются природные среды и ресурсы, к которым относятся: атмосферный воздух; поверхностные воды суши; морские воды; почвенный покров; геологическая среда; растительный и животный мир (рис.9.1).

Рис.9.1. Классификация экологического мониторинга по природным средам.

Общие сведения о методах наблюдения

Для получения объективной информации о состоянии и об уров­не загрязнения различных объектов окружающей среды (атмос­ферного воздуха, воды, почвы) необходимо располагать надеж­ными методами анализа. Эффективность любого метода оценива­ется совокупностью таких показателей, как селективность и точ­ность определения, воспроизводимость получаемых результатов, чувствительность определения, пределы обнаружения элемента и экспрессность выполнения анализа. Кроме того, методы должны обеспечивать проведение анализа в широком интервале концент­раций элементов (включая следовые). Это должно учитываться при выборе методов и средств наблюдений.

Фотометрический метод основан на сравнении оптических плот­ностей исследуемой и контрольной жидкостей. Разновидностями фотометрического метода являются фото колориметрический, спектрофотометрический, турбидиметрический, нефелометрический и флуориметрический (люминесцентный) методы. Современные фотоколориметры отечественного производства марок ФЭК-М, ФЭК-Н-5, ФЭК-Н-57, ФЭК-56, ФК-110, ФК-120 и другие представляют собой двухлучевые приборы с двумя фотоэлемен­тами и имеют одинаковые принципиальные схемы. Чувствитель­ность определения зависит от природы соединений и составляет для неорганических соединений 0,04... 20 мкг/мл пробы и для орга­нических соединений — 0,02... 10 мкг/мл пробы.

Спектрофотометрический метод основан на тех же принципах, что и фотоколориметрический. Различие состоит в том, что в спектро­фотометре используется поглощение монохроматического света. Для жидких сред применяются спектрофотометры марок СФ-4, СФ-4а, СФД-2, СФ-2М, СФ-5, СФ-8, СФ-9, СФ-10, СФ-14, СФ-19, С-605 и др. Чувствительность определения органических и неорга­нических соединений находится на уровне 0,08... 20 мкг/мл пробы.

Турбидиметрический метод применяется для определения коли­чества веществ, которые находятся во взвешенном состоянии, посредством измерения интенсивности прохождения света через контролируемый раствор пробы. В качестве приборов могут быть использованы спектрофотометры любых марок. Для увеличения их чувствительности следует применять синий светофильтр. Турбиди­метрический метод пригоден для измерения концентраций, уро­вень которых составляет несколько частиц на миллион.

Нефелометрический метод отличается от турбидиметрического тем, что в этом случае измеряется не прошедший через суспензию свет, а рассеянный, поэтому данный метод является более чув­ствительным для сильноразбавленных суспензий. Нефелометриче­ский метод при благоприятных условиях позволяет получить точ­ность, сравнимую с точностью колориметрических методов.

Возможность использования флуориметрического (люминесцен­тного) метода для аналитических целей обусловлена тем, что неко­торые вещества при воздействии на них ультрафиолетового излу­чения флуоресцируют. Этот метод имеет ограниченное примене­ние. Точным и чувствительным он является для интенсивно флуо­ресцирующих веществ.

Полярографический метод основан на восстановлении анализи­руемого соединения на ртутном капающем электроде и использу­ется, как правило, при анализах следовых количеств веществ, на­ходящихся в разных состояниях. Для анализа используются поля­рографы ППТ-1, ПУ-1, ПЛ-2, ПА-3, ПО-5122, чувствительность определения концентраций органических и неорганических соеди­нений которых составляет 0,05... 1 мкг/мл пробы.

Газохроматографический метод основан на селективном разде­лении соединений между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна (жидкость или твердое тело), а другая под­вижна (инертный газ-носитель). Этот метод позволяет определять ничтожно малые количества веществ, не обладающих специфи­ческими реакциями, и анализировать смеси, состоящие из десят­ков и сотен компонентов с близкими свойствами. Для анализа ис­пользуются хроматографы ЛМ-8МД5, ЛМ-8МД7, ЛХМ-80, «Газохром-1109», «Газохром-1106Э», «Газохром-1106Т», «Газохром-3101», «Цвет» (модели 101... ПО), «Сигма-1», хромато-масс-спектрометр МХ-1307М и др.

Масс-спектрометрический метод заключается в ионизации газо­образной пробы электронной бомбардировкой, после чего обра­зующиеся ионы подвергаются воздействию магнитного поля. В за­висимости от массы и заряда ионы отклоняются с различной ско­ростью и соответствующим образом разделяются. Особенностью метода являются малый объем пробы и высокая избирательность.

Спектрально-химический метод сочетает в себе две последова­тельные операции:

1.Соосаждение групп элементов из растворов с помощью 2,4-динитроанилина; отделение их и соосаждение из фильтра молибдена;

2.Спектральное определение соосажденных элементов в золь­ном остатке с использованием соответствующих искусственных стандартов.

В основе спектрально-эмиссионного метода лежит излучение све­товой энергии атомами, ионами и реже молекулами. Излучаемые атомами и ионами эмиссионные линейчатые спектры не зависят от вида химических соединений, из которых состоит исследуемое вещество, в связи с чем этот анализ применяется для определения элементарного состава проб воды и почвы. Универсальность, вы­сокая чувствительность, хорошая точность и быстрота определе­ния обусловили широкое распространение этого метода. При фотографической регистрации спектра метод позволяет одновремен­но анализировать до 30 элементов в одной пробе. В пробах почвы и воды могут быть определены очень низкие концентрации многих элементов (1... 10%).

Наиболее эффективным способом получения сведений о за­грязнении атмосферы в большом масштабе является использова­ние экологических спутников. Полученная с их помощью информа­ция может быть использована в сочетании с реперными данными локальных измерений в различных точках земного шара, что по­зволит повысить точность дистанционного зондирования.

В настоящее время единственным микрокомпонентом атмосфе­ры Земли, измерение концентрации которого производится в те­чение многих лет, является С0₂. По результатам измерения можно рассчитать последствия нарушения экологического равновесия при сжигании горючих ископаемых и достаточно точно оценить масш­табы воздействия.

Дистанционные методы базируются на измерении и интерпрета­ции характеристик электромагнитных полей на различных рассто­яниях от исследуемого объекта. Принципиально новые возможно­сти, которые они открывают, связаны с наблюдением атмосферы с искусственных спутников Земли, пилотируемых кораблей и ор­битальных станций, выполнением измерений в непрерывном ре­жиме при изменяющихся условиях, в больших объемах воздуха на огромных территориях (десятки и сотни квадратных километров) с пространственным разрешением, в несколько десятков метров.

Методы абсорбционной спектрометрии широко применяются для дистанционных измерений концентрации микрокомпонентов ат­мосферы. За последние 15 — 20 лет получил распространение ме­тод спектрометрии солнечного излучения, в частности определе­ния микрокомпонентов тропосферы и стратосферы по данным аэростатных измерений инфракрасной солнечной радиации. Воз­можности регистрации спектра Солнца открыли перспективы для внедрения метода «затменного» зондирования стратосферы и мезосферы, а также для оценки фоновых концентраций СО, СН₄, N0₂, N₂0 в вертикальном столбе атмосферы по спектрам солнеч­ного излучения на уровне Земли.

Дистанционный метод определения концентрации оксида азо­та предназначен для измерения содержания N0₂ на фоне рассеян­ной солнечной радиации в атмосфере городов, в выбросах от пред­приятий, из отдельных труб заводов, а также из вулканов.

СРС 2. Аэрокосмический мониторинг

1. Использование аэрокосмического мониторинга в экологических исследованиях

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий и т.п. Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт, - это их высокая детальность, одновременный охват об­ширных пространств, возможность получения повторных снимков и изуче­ния труднодоступных территорий.

Съемки ведут в различных зонах спектра: видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфра­красной, радиоволновой и ультрафиолетовой. При этом сним­ки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже - для лучшей различимости некоторых объектов - ложноцветными, т.е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темно­та тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое вре­мя суток.

Главные достоинства аэроснимков, космических снимков и цифровых данных, получаемых в ходе дистанционного зондирования, - их большая об­зорность и одномоментностъ. Они покрывают обширные, в том числе труднодоступные, территории в один момент времени и в одинаковых физи­ческих условиях. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализо­ванное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет ви­деть их структуру и связи. Очень важное достоинство - повторностъ съемок, т.е. фиксация состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики.

Составление оперативных карт - еще один важный вид использования космических материалов. Для этого проводят быструю автоматическую обработку поступающих дистанционных данных и преобразование их в картографический формат. Наиболее известны оперативные метеорологические карты. В оперативном режиме и даже в реальном масштабе времени можно составлять карты лесных пожаров, наводнений, развития неблагоприятных экологических ситуаций и других опасных природных явлений. Космофотокарты применяют для слежения за созреванием сельскохозяйственных посе­вов и прогноза урожая, наблюдения за становлением и сходом снежного по­крова на обширных пространствах и тому подобными ситуациями, сезонной динамикой морских льдов.

Главнейшее значение для реализации программы создания службы мониторинга окружающей среды имеют дистанционные (аэрокосмические) средства и методы.

Оперативное слежение и контроль за состоянием окружающей среды и отдельных ее компонентов по материалам дистанционного зондирования и картам называют аэрокосмическим (дистанционным) мониторингом.

Иногда в это понятие включают слежение за средой с помощью прибо­ров, установленных в труднодоступных местах Земли (в горах, на Крайнем Севере), показания которых передаются в центры наблюдения с помощью методов дальней передачи информации (по радио, проводам, через спутники и т. п.). Аэрокосмический мониторинг подразделяется на авиационный и кос­мический.

Авиационный мониторинг осуществляют с самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов (включая парящие воздушные шары и т. п.), не поднимающихся на космические высоты (в основном из пределов тропо­сферы).

Космический мониторинг - мониторинг с помощью космических средств наблюдения. Авиационный мониторинг ориентирован на региональ­ные или локальные явления. Например, он широко используется при инвентаризации лесов, выявлении площадей, пораженных пожарами, промышлен­ными загрязнения, вредителями. Космический мониторинг позволяет соста­вить представление об отдельных изменениях в биосфере, которые при дру­гих методах не выявляются.

Первый экологический искусственный спутник земли (ИСЗ) «Космос-1906» был запущен в конце 1987 г. Программа полета ИСЗ предусматривает получение и обработку данных дистанционного зондирования Земли, выполнения съемок ряда территории СНГ, Антарктиды и Мирового океана. На ос­нове космической информации ведутся планомерные широкомасштабные исследования природных ресурсов, ОС, изучаются результаты воздействия на нее хозяйственной деятельности.

Спутник мгновенно может обеспечить съемку от 8 до 40 тыс. км² земной поверхности, а за 10 мин работы - около 1 млн км . Такой огромный объ­ем информации обрабатывается, естественно, с применением ЭВМ. С помо­щью спутниковых данных изучают изменение границы тундры и лесотундры (это характеризует динамику глобального потепления), динамику и состоя­ние лесов, определяют очаги распространения вредителей сельскохозяйст­венных культур, отслеживают динамику растительности. В настоящее время в народном хозяйстве по материалам космических съемок решается около 300 различных задач, и перечень их продолжает расти.

Так как мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но также его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме того - разработку системы мер по предотвращению опасных последст­вий или поддержанию благоприятных тенденций, оперативное картографи­рование становится средством контроля за развитием явлений и процессов и обеспечивает принятие управленческих решений. Картографический метод создания глобальной системы мониторинга предполагает развертывание paбот при обследовании и изучении любой территории в двух основных на­равлениях:

1.Создание базовой инвентаризационной картографической документации, отражающей современное состояние и оценку природных ресурсов;

2.Картографирование динамики изменений природной среды, предусматривающее обновление инвентаризационных карт, создание специальных карт динамики и прогноза, т. е. систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и ее изменениями, обуслов­ленными хозяйственной деятельностью людей.

Масштабы картографического представления и периодичность составления оперативных тематических карт мониторинга во многом зависят от ха­рактера использования земель и степени развития природно-территориального комплекса.

Масштабы и периодичность карт мониторинга природной среды в различных регионах приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1

Масштабы и периодичность составления оперативных карт мониторинга ПС в различных регионах

Структура космической системы изучения ПРЗ состоит из 4 основных подсистем: получения космической информации; получения дополнительной дистанционной информации; сбора и хранения информации; обработки информации (рис.8.1).

Подсистема получения космической информации включает: космические носители измерительной аппаратуры; измерительную аппаратуру, уста­навливаемую на космических носителях; аппаратуру, передающую получен­ную информацию на Землю (на пункты приема информации - ППИ) в под­систему сбора информации.

Рис. 8.1. Структура космической системы изучения природных ресурсов (ИСЗ – искусственные спутники Земли; ПКК – пилотируемые космические корабли; ОС орбитальные станции).

Данные, полученные с помощью космической измерительной подсистемы, содержат для каждого отдельного элемента природного объекта ин­формацию о его состоянии. Эти данные передаются на пункты приема информации и оттуда в банк данных подсистемы сбора информации на хранение.

Подсистема получения дополнительной дистанционной информации объединяет средства и методы получения дистанционной информации о природных и антропогенно измененных объектах, осуществляемых в основном в пределах тропосферы.

В эту подсистему включены: авиационные средства (самолеты-лаборатории и вертолеты); суда-лаборатории, буйковые станции, наземные передвижные лаборатории, установленная на этих носителях измерительная аппаратура, установленная на них аппаратура, передающая получаемую информацию на пункт приема информации.

В структуру космической системы изучения природной среды Земли и Мирового океана в подсистему получения дополнительной информации включены также научно-исследовательские суда-лаборатории, буйковые станции и наземные передвижные лаборатории.

В состав судов-лабораторий входят научно-исследовательские суда, экспедиционные суда, морские, озерные и речные суда, специально построенные или перестроенные из другого типа судов для комплексных исследо­ваний и для проведения различных специальных исследований (геофизиче­ских, гидробиологических и др.) в толще водных масс, морского дна, атмо­сферы и космического пространства.

Так, на борту научно-исследовательского судна космической службы «Космонавт Юрий Гагарин» имеется 110 научных лабораторий.

Буйковые станции (автоматические станции) снабжены специальной аппаратурой для получения определенных типов информации через спутники на пункты приема информации, космической системы изучения природных ресурсов.

Наземные передвижные лаборатории позволяют получать достоверные и точные данные о природных объектах, процессах и данные на локальных участках земной поверхности. Наземные измерения выполняют синхронно космическими и авиационными измерениями точно в момент прохождения космических аппаратов и авиасредств над данной точкой.

Наземные измерения служат базой для проведения необходимых методических работ, связанных с проблемой идентификации природных ресурсов и изучения их свойств на основе сопоставления и корреляции различных дан­ных дистанционного зондирования с данными непосредственных наземных измерений.

Все вышесказанное относится к измерениям, выполняемым судами-лабораториями и автоматическими буйковыми станциями.

Основные требования, предъявляемые к измерениям (данным), получаемым в подсистемах космической и дополнительной дистанционной информации:

- синхронность получения всех видов информации;

- метрологиче­ское единство всех видов измерений;

- репрезентативность наземных и изме­рений с самолета относительно территорий, охватываемых космической съемкой;

- сопоставимость масштабов и разрешающей способности всех видов измерений;

- оперативность доставки информации с самолета и наземной в пункты приема и обработки космической информации.

Репрезентативность в статистике - главное свойство выборочной совокупности, состоящее в близости ее характеристик (состава, средних величин и др.) к соответствующим характеристикам генеральной совокупно­сти, из которой отобрана выборочная.

Подсистема сбора и хранения информации формирует банк данных огромного и постоянно меняющегося объема различного вида информации. Задачи этой подсистемы - формирование, хранение и управление базой данных, нахождение необходимой для определенных конкретных целей информации и оперативная передача ее в блок подсистемы обработки информации.

База данных должна содержать:

1.Разновременные и разномасштабные материалы космических и аэрофотосъемок;

2.Характеристики измерительной аппаратуры;

3.Результаты наземных (натурных) измерений (выполненных синхронно с космическими съемками) параметров состояния природной среды в отдельных пунктах земной поверхности;

4.Разновременные и разномасштабные картографические материалы (топографические и специальные тематические карты);

5.Статистические и другие данные.

Эта структура (сбора, хранения, управления базой данных) подсистемы должна обеспечить оперативный обмен информацией между ее частями и доступ к ней подсистемы обработки информации.

Подсистема обработки информации заключается в оперативной обработке полученной из банка данных информации и выдаче результатов обра­ботки в виде картографических материалов в требуемом масштабе.

12
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• Далее ⇒