Методы экологического мониторинга. Дистанционное зондирование Земли proexperti.ru

Экологический мониторинг (слежение) – процесс наблюдения за состоянием различных компонентов окружающей среды и оценка ее текущего состояния. Для более полноценной и комплексной оценки требуется правильная организация экомониторинга, назначение единых критериев и параметров качества окружающей среды. Экологический мониторинг может преследовать как региональные, так и глобальные цели. Примеры экологического мониторинга можно встретить буквально повсюду, к примеру он используется когда выполняется экологическая экспертиза.

Что такое экологический мониторинг?

Экологический мониторинг – это довольно сложная в техническом и организационном плане экологическая деятельность, в которой задействованы различные органы и должностные лица. Получаемая при этом информация очень разнообразна по характеру, содержанию, формам, порядку получения, правовому статусу и способам распространения. В России она может использоваться органами государственной власти, субъектами РФ, местными ведомствами. Такая информация имеет научное и прикладное значение. На ней строятся многие прогнозы, оценивается отклик различных природных и антропогенных систем на те или иные воздействия. Ее используют для федеральных и целевых программ по охране окружающей среды.

Экологический мониторинг проводится на стационарных или мобильных пунктах: специально оборудованных автомобилях, постах, станциях, лабораториях, исследовательских центрах. Полученная информация затем обрабатывается. Методы экологического мониторинга различны и зависят от поставленных задач.

Проблема загрязнения окружающей среды

Постоянный рост численности населения планеты в сочетании с увеличением материального благосостояния людей резко повышает нагрузку на окружающую среду, вызывая различные негативные последствия. Сокращение природных площадей и рост загрязнения стали главными последствиями деятельности человека. Основными факторами загрязнения окружающей среды являются:

• Промышленные выбросы и стоки, влияющие на качество воздуха, воды и почв, негативно сказывающиеся на здоровье человека.
• Выбросы парниковых газов (углекислого газа, метана, закиси азота и других), которые оказывают влияние на температуру нижнего слоя атмосферы, толщи океанов и верхнего слоя земной коры.
• Эрозия почв вследствие нерационального землепользования. Ведет к загрязнению речных и прочих вод взвешенными частицами и вредными веществами.
• Бытовой и промышленный мусор, который вреден как сам по себе, так и в виде продуктов его распада. Может приводить к отравлению экосистем и ухудшению здоровья человека.
• Инвазивные виды растений и животных, которые нередко вызывают большой экологический урон.
• Радиационное загрязнение вследствие аварий на АЭС, работы радиохимических предприятий, медицины и добычи урана.
• Пестициды и гербициды, ведущие к загрязнению воды и почвы, главным образом, в сельскохозяйственных районах.
• Добыча полезных ископаемых, которая часто становится источником вредной пыли и загрязнения вод.
• Пожары: техногенные, бытовые и лесные. Являются значительным источником загрязнения атмосферы и причиной гибели или повреждения экосистем.
• Разливы нефти и поверхностно-активных веществ вследствие утечек и аварий. Наиболее сильно отражаются на состоянии морей и океанов, снижают испарение, а значит и количество осадков.
• В США существует проблема загрязнения внутренних вод лекарственными препаратами. Так же они могут стать причиной ухудшения качества мяса или молока.
• Массовая вырубка лесов является причиной загрязнения речных и грунтовых вод, а также может повысить загрязнение воздуха пылевыми частицами. Ведет к снижению испарения и количества осадков, негативно сказывается на климате, усиливая континентальность.

Экологическая экспертиза

Целью экспертизы является проверка соответствия хозяйственной деятельности экологическому законодательству. Чаще всего применяется в отношении новых проектов, реализация которых может повлиять на окружающую среду. Экологическая экспертиза может быть государственной и общественной. По ее результатам делается вывод о допустимости или недопустимости реализации проекта. Однако даже если этот проект прошел экологическую экспертизу, на построенном объекте может быть организован экологический мониторинг.

История экологического мониторинга

Впервые об экологическом мониторинге заговорили в 1971 г. на научном комитете по проблемам окружающей среды, а затем в 1972 г. – на проходившей в Стокгольме экологической конференции ООН. Актуальность такого мониторинга обсуждалась в эти годы и в СССР. Для этого было предложено создать систему биосферных заповедников.

В 70-е годы в развитие представлений о принципах экологического мониторинга большой вклад внесли советские ученые. В этом процессе принимал активное участие руководитель Гидрометцентра Ю. А. Израэль. Обобщающая работа по этой теме вышла в 1975 г. под авторством академика И. П. Герасимова, который выделил 3 ступени мониторинга:

1. На первом уровне мониторинга основное внимание, по его мнению, должно быть уделено наблюдениям за состоянием окружающей среды и воздействиям на здоровье человека. Главными для этой ступени должны стать показатели реакции человека: уровень заболеваемости, средняя длина жизни, рождаемость и смертность и т. д.
2. Второй уровень предполагает наблюдения за более общими показателями: биологическая продуктивность, масса и энергетический обмен и так далее. Такие наблюдения должны осуществляться на специальных стационарах, полигонах и т. д.
3. Цель третьей ступени – наблюдение за крупномасштабными процессами и величинами: запылением атмосферы, загрязнением океана, глобальным содержанием водяного пара и т. д.

Задачи и объекты экомониторинга

Проведение экологического мониторинга призвано решить следующие задачи:

• Осуществление регулярных наблюдений за состоянием окружающей среды и ее загрязнением.
• Прогнозирование и оценка экологической ситуации, особенно по части изменения климата.

Объектами слежения могут быть:

• Окружающая среда и ее компоненты (атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера, урбосфера).
• Качество окружающей среды, изменение которого может иметь негативные последствия.
• Определенные виды антропогенной деятельности, способные нанести вред окружающему.
• Предприятия, мусорные полигоны, технологии, АЭС и т. д.
• Техногенные катастрофы: разливы нефти, пожары, аварии, инциденты и другие опасные явления природного или техногенного характера.
• Охраняемые природные объекты.

Проводить экологический мониторинг могут различные природоохранные организации, НИИ, органы власти (как федеральной, так и местной), общественные объединения, предприятия и другие экономические лица, международные организации научной направленности (например, НАСА) и др.

Виды мониторинга

По размеру охвата мониторинг делится на локальный, региональный, национальный и глобальный.

• При локальном следят за небольшими участками какой-либо местности.
• При региональном наблюдения ведут на региональном масштабе.
• При национальном слежение проводят в пределах территории конкретного государства.
• Глобальный экологический мониторинг подразумевает слежение за крупномасштабными процессами, которые имеют международное значение.

По объекту наблюдений он может быть базовым, биосферным, атмосферным, гидрологическим, почвенным, радиационным, гигиеническим, геоботаническим, зоологическим и т. д.

Основные методы экологического мониторинга

В настоящее время методы слежения за состоянием окружающей среды делятся на 2 основные категории:

1. Наземные наблюдения (физико-химические, биоиндикационные, метеорологические, фотографические, медицинские и т. д.).
2. Дистанционные методы экологического мониторинга (спутниковое зондирование, слежение с беспилотников и т. д.).

Естественно, что в первом случае чаще оцениваются местные и региональные процессы, а во втором – крупномасштабные и глобальные.

Спутниковый мониторинг

При дистанционном зондировании Земли используют спутниковые данные, данные с самолетов, беспилотников, судов. Спутниковые данные дают максимально широкий охват исследуемого объекта, а потому часто применяются для получения информации о глобальных изменениях среды. На аэрокосмических снимках хорошо виден масштаб обезлесения, урбанизации, пылевого загрязнения атмосферы, таяния льдов и т. д. Данные с инфракрасных детекторов позволяют получить информацию о температуре различных участков земной поверхности, оценить ее альбедо. Отражение радиоволн и ультрафиолетового излучения от поверхности воды дает информацию о нефтяном загрязнении океанов.

Дистанционное зондирование Земли становится все более популярным видом исследований в экологии.

Но спутниковый мониторинг можно использовать и для отслеживания ситуации на локальном уровне. Например, аэрокосмические снимки позволяют получать информацию о состоянии лесов, о ситуации с лесными пожарами, очагами гроз и так далее, которая может оказаться достаточной для принятия тех или иных практических решений. Для получения качественных и точных снимков могут быть задействованы беспилотники.

Биологические методы

Методы биологического мониторинга окружающей среды относятся к наземным методам слежения. Их еще называют биоиндикационными. Основным объектом такого мониторинга являются биологические объекты: виды, сообщества, экосистемы, пищевые цепи и т. д. Для анализа используют такие факты, как распространение того или иного вида, изменение его численности или полное исчезновение, либо появление в новом районе. При геоботанических исследованиях отслеживают изменение ареала тех или иных видов, динамику биомассы, биопродуктивности, высотное и широтное распределение видов и сообществ и пр.

Биоиндикаторами могут быть: ширина годичных колец, пожелтение листьев, усыхание древостоя, высота деревьев, наличие сорняков (пионерных видов) и прочие признаки.

Биологический мониторинг охватывает все уровни – от молекулярного и клеточного до глобального. Для проведения исследований, в зависимости от задач, организуются лаборатории, экспедиционные исследования.

Прежде чем проводить биологический мониторинг требуется разработка методики его проведения и получение необходимых данных, потому что разные биологические системы по-разному реагируют на разные типы воздействия. Выбираются наиболее чувствительные к антропогенному воздействию организмы или экосистемы. Такие организмы называются индикаторами. Благодаря использованию биотестирования выбираются критерии диагностики, позволяющие оценить уровень воздействия того или иного фактора на исследуемую территорию.

Таким образом, при биологическом мониторинге применяется метод биоиндикации. Естественно, что точность таких исследований будет ниже, чем при использовании физических методик. Но, в то же время, они позволят оценить общий ущерб, причиненный антропогенной деятельностью природным экосистемам, чего нельзя добиться при использовании других методик. В результате, из комплекса воздействий можно будет выделить наиболее существенные для состояния окружающей среды и принять адекватные меры для снижения антропогенной нагрузки. Для оценки возможного ущерба для здоровья населения более предпочтительным является анализ токсикологических проб, что относится к физико-химическим методам мониторинга.

В целях биоиндикации чаще всего используют рыб, микроорганизмы, водоросли. Известно также, что раки предпочитают чистую воду, и потому являются хорошим индикатором загрязнения. Это же относится и к некоторым видам лишайника, который тоже является объектом биоиндикации.

Возможности биологического мониторинга

Биоиндикация окружающей среды подходит для решения следующих задач:

• Составление комплексной оценки антропогенного воздействия на природу исследуемого региона.
• Позволяют выявить аварийные или скрытые выбросы, включая умышленное искажение руководством предприятий информации по собственным выбросам.
• Позволяют дать оценку чувствительности организмов к выделяющимся загрязнителям или иным вредным воздействиям.
• Показывают скорость реагирования биосистем и его масштабность.
• Дают возможность картировать очаги загрязнения и концентрации вредных примесей.
• Позволяют оценить степень опасности конкретных загрязнителей для природной среды, а с высокой вероятностью и для человека.
• Помогают в нормировании предельно допустимых нагрузок на окружающую среду и при необходимости принимать меры для ее снижения.

Лабораторные методы, взятие проб

Физико-химические методы экологического мониторинга, чаще всего, являются лабораторными. Анализ начинается с отбора проб воздуха, почвы или воды, а затем на специальном оборудовании проводят аназиз на содержание загрязнителей. Его еще называют инструментальным анализом.

Физико-химические методы бывают следующими:

• хроматографическая индикация;
• инфракрасная спектрометрия;
• флуориметрические методы;
• электрохимические методы;
• масс-спектрометрические методы;
• люминесцентный анализ;
• радиотехнические методы.

Хроматографические методы

Эти методы часто применяют для выявления загрязнений, особенно при анализе жидкостей. Наиболее популярны газожидкостная, тонкослойная, жидкостная и ионная хроматография. Тонкослойная отличается легкостью выполнения и используется для обнаружения пестицидов и органических загрязнителей. Газожидкостная более эффективна при анализе летучих органических соединений. Жидкостную хроматографию используют для выявления нелетучих химических соединений.

Детекторы высокой чувствительности, основанные на различных физико-химических методах, позволяют обнаруживать даже незначительные количества примесей, что важно при выявлении высокотоксичных соединений. В сочетании с методами хроматографии масс-спектрометрия и инфракрасная спектрометрия могут давать хороший результат для выявления сложных комбинаций загрязняющих веществ. Такого рода анализаторы подключаются к мощным компьютерам. С их помощью можно обнаружить такие опасные вещества, как диоксины, полихлорированные бифенилы, нитрозамины и токсичные пестициды.

Ионная хроматография используется для анализа соотношения катионов и анионов.

Спектрофотометрия

В этом методе используется инфракрасное излучение. Анализ спектров поглощения, отражения и рассеяния позволяет довольно точно определить наличие и концентрацию примесей. Имея каталог спектров различных веществ можно без труда определить тип загрязнителя или полезного вещества, присутствующего в пробе или продукте. Инфракрасный спектр позволяет определить даже такие свойства, как плотность, гранулометрический состав, калорийность пищевых продуктов и всхожесть семян.

Люминесцентный метод

Это один из самых высокочувствительных способов идентификации загрязнителей. При помощи него определяются следовые количества как органических, так и неорганических примесей в пробах воздуха. Его можно использовать для мониторинга гидросферы и биосферы, а также для определения содержания микроэлементов, органических соединений и суммы содержания вредных веществ.

Люминесцентным методом можно воспользоваться, если требуется выявить наличие полиароматических углеводородов или их производных. Для подсчета концентрации вещества используют такое явление, как тушение люминесценции.

При этом не все соединения определяются посредством этого способа. Иногда проводят химическую реакцию, с помощью которой меняют исходное соединение так, что бы люминесценция смогла бы его обнаружить.

Электрохимические методы

Для их осуществления используют электроды: анод и катод. Катодом часто является ртутный капающий электрод с постоянно обновляемой поверхностью, что дает возможность получать полярограммы и проводить эффективный анализ. Этот способ подходит только для выявления ионов металлов, органических веществ, карбонильных соединений, пероксидов, эпоксидов и других. По этой причине его нельзя считать универсальным, но зато он достаточно селективен.

Заключение

Таким образом, экологический мониторинг - это необходимая в современном мире процедура, позволяющая выявить различные нарушения принятых норм или отследить долгосрочные тенденции. Мониторинг экологической обстановки может преследовать разные цели и решать разные задачи. Чаще всего это усилия, направленные на выявление загрязнения окружающей среды, а также тенденций к смене растительного покрова.

При биологических методах изучается отклик растений и животных на изменение экологической ситуации и часто рассматривается как индикатор этих изменений. Дистанционные методы используются для решения крупномасштабных задач, но могут быть полезны и при выявлении локальных нарушений. Для получения подобной информации чаще других используют спутниковые снимки и другую информацию со спутников. Физико-химические методы выявляют наличие загрязнений и чаще всего проводятся в лаборатории. Наиболее важным при этом виде мониторинга является выявление наиболее опасных для человека веществ.