Зеленая энергия - популярно об экологии, химии, технологиях

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Home Библиотека Экология. Конспект лекций Средства контроля окружающей природной среды

Средства контроля окружающей природной среды

В соответствии с ранее предложенной классификацией видов мониторинга охарактеризуем средства контроля объек­тов окружающей среды с точки зрения используемых методов иссле­дований. Все средства экологического контроля, с точки зрения ис­пользуемых методов исследования, можно разделить на дистанцион­ные и наземные.

Дистанционные методы исследования осуществляются посредством зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитаци­онных) и переноса полученной информации к датчику. Таким обра­зом, дистанционные методы базируются на физических методах ис­следования, используемых в авиационном и космическом монито­ринге, а также для слежения за средой в труднодоступных местах Земли.

Наземные методы базируются на химических и биологических ме­тодах исследования.

Дистанционные методы контроля

Дистанционные методы широко применяются при изучении ат­мосферы, гидросферы и биолитосферы. Преимуществом дистанци­онного измерения является возможность беспрерывного определения средних концентраций вредных веществ по площади (в отличие от наземных методов, которые дают концентрации лишь в одной точ­ке), а также оценки вертикального распределения примесей, харак­теризующих потенциал загрязнений. Кроме того, данные методы по­зволяют оценивать движение загрязняющих веществ в атмосфере без анализа проб в различных пунктах и, таким образом, устанавливать влияние источника загрязнения, расположенного на расстоянии не­скольких километров, прогнозировать угрожающие ситуации.

Контроль загрязнения атмосферы. Впервые попытки изучения га­зовой оболочки Земли были предприняты великими русскими учены­ми — M.B. Ломоносовым, а позднее Д.И. Менделеевым. Первая служба погоды в России появилась в 1872 г. Множеством экспери­ментальных данных подтверждена связь между загрязнениями атмос­феры и ее метеорологическими параметрами.

Метеорология — наука о земной атмосфере, ее строении, свой­ствах и происходящих в ней процессах. В процессе изучения физи­
ческих свойств атмосферы и происходящих в ней явлений эта наука рассматривает их во взаимной связи со свойствами и влиянием под­стилающей поверхности (суша, море).

Главная задача метеорологии — прогнозирование погоды на раз­личные сроки. Основным компонентом в системе метеорологичес­ких наблюдений является метеорологическая станция. Она предназ­начена для регулярных наблюдений за состоянием атмосферы, кото­рые включают измерения температуры, давления и влажности воздуха, скорости и направлении ветра, определения других характе­ристик состояния атмосферы (облачность, осадки, видимость, сол­нечная радиация), определение начала, окончания и интенсивности атмосферных явлений. Наблюдения ведутся по стандартной програм­ме и используются для составления прогнозов погоды, изучения кли­мата и его изменений, предупреждения о неблагоприятных метеоро­логических явлениях. При этом различают метеостанции наземные, дрейфующие, устанавливаемые на судах, на буях в открытом море.

Метеостанции оснащаются самыми разнообразными приборами. Так, актинометры используются для измерения интенсивности пря­мой солнечной радиации (излучения), падающей на перпендикуляр­ную лучу поверхность. Принцип действия актинометра основан на поглощении излучения телом, близким по свойствам к черному телу (поглощает все падающее на него электромагнитное излучение), и пре­вращения энергии солнечной радиации в тепловую энергию. Различа­ют актинометры термоэлектрические, термобиметаллические и др.

Для измерения скорости ветра и газовых потоков используется прибор анемометр. Часто применяют автоматические анемометры с сигнальным устройством для определения опасных по совместному воздействию скорости и продолжительности порывов ветра и вклю­чения при этом соответствующих противоаварийных устройств.

Для измерений атмосферного давления используется прибор ане­роид (барометр), приземной частью которого служит металлическая коробка, внутри которой создано разрежение. В случае повышения атмосферного давления коробка сжимается и тянет прикрепленную к ней пружину. Перемещение последней передается стрелке, передви­гающейся по шкале. Прибор для автоматической непрерывной запи­си изменений атмосферного давления называется барографом.

Гигрометр является прибором, служащим для определения абсо­лютной или относительной влажности воздуха — наиболее существен­ной характеристики климата. На гидрометеорологических станциях часто применяют гигрометры, чувствительным элементом которого служит человеческий волос или органическая (животная) пленка. Они обладают свойством изменять длину в зависимости от содержания водяного пара в воздухе. Для автоматической непрерывной записи влажности воздуха используют самопишущие приборы — гигрогра­фы. Для измерений атмосферных жидких и твердых осадков исполь­зуют прибор осадкомер (дождемер). Он состоит из сосуда, в кото­рый собираются осадки, и приспособлений, предотвращающих вы­дувание из него осадков. Осадкомер устанавливают так, чтобы приемная поверхность сосуда (ведра) находилась на высоте 2 м над почвой. К прибору прилагается мерный стакан с делениями, по ко­торым измеряют количество выпавших осадков (в мм), количество безапелляционных осадков определяют после того, как они растают.

Метеорологический прибор, служащий для автоматической за­писи изменений температуры, называется термограф. Действие при­бора основано на свойстве биметаллической пластинки чувствитель­ного элемента деформироваться при изменении температуры возду­ха. Температура регистрируется самопишущим прибором на бумажной ленте.

Для комплексных измерений метеорологических характеристик состояния атмосферы используется прибор метеорограф, включаю­щий в себя устройства, регистрирующее изменения влажности (гиг­рограф), температуры (термограф) и давления (барограф).

Кроме вышеперечисленных приборов для измерений температуры, давления и влажности воздуха, применяют радиозонд, отличающийся автоматической передачей их значений по радио. В атмосферу радио­зонд поднимается на шарах-пилотах, наполненных водородом. Радио­сигналы, направленные от зонда, на Земле принимаются специальной радиоприемной аппаратурой с автоматической или полуавтоматичес­кой регистрацией показаний. Высота полета радиозондов — 30—40 км, дальность действия 150—-200 км. К основной аппаратуре радиозонда относятся датчики температуры, давления, влажности, преобразова­тель измеряемых величин (например, температуры) в электрический кодовый сигнал, радиопередатчик и источник электропитания.

Дальнейшее развитие познания атмосферных процессов связано с развитием дистанционных неконтактных методов контроля, позво­ляющих получать пространственную и временную информацию об из­менении температуры, влажности, загрязнений, скорости и направ­лении ветра. В связи с этим разрабатываются акустические, ра­диоакустические, радиолокационные методы.

Радиоакустическое зондирование, которое осуществляют с помо­щью эхолокаторов либо с наземной станции, либо с борта самолета, основано на измерении скорости распространения звуковых волн от неподвижных или движущихся относительно среды (воздух, водо­ем) источников колебаний.

С целью повышения точности и достоверности измерений реко­мендуется совмещение радиоакустической и акустической систем ди­станционного неконтактного контроля приземного слоя атмосферы.

В основе радиолокационных методов наблюдения различных объек­тов, в том числе природных, лежит область науки и техники — радиолокация. Радиолокационное наблюдение осуществляется тремя способами: 1) облучением объекта радиоволнами и приемом отра­женных от него (рассеянных им) радиоволн; 2) облучением объекта и приемом переизлученных (ретранслируемых) им радиоволн; 3) при­емом радиоволн, излучаемых самим объектом. При первых двух (ак­тивных) способах применяют специальную приемопередающую ра­диостанцию — радиолокационную станцию, при последнем (пассив­ном) — приемную.

Радиолокационная станция (PJIC, локатор) — устройство для об­наружения и определения методами радиолокации местоположения объектов в воздухе, на воде или на земле. PJIC широко применяют в военном деле, на транспорте, в астрономии, космонавтике, метео­рологии. Радиолокационная станция состоит из мощного радиопере­датчика, работающего в метровом, дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн; направленной антенны; радиопри­емника, работающего на той же волне, что и радиопередатчик; ин­дикаторного устройства; вспомогательного оборудования (источни­ков электропитания и др.).

Получение изображений местности с помощью радиолокацион­ной аппаратуры, установленной на летательных аппаратах, называ­ется радиолокационной съемкой. Она может проводиться в сложных метеоусловиях и в любое время суток, а также для изучения объектов закрытых снегом, растительностью, рыхлыми отложениями и дру­гим и способна дать дополнительную информацию, которая отсут­ствует на фотографиях.

В последнее время получает свое развитие лазерный (лидарный) контроль атмосферы. Лазеры — это приборы, испускающие световой луч очень острой направленности, т.е. с очень малой расходимостью световых лучей. Благодаря этому все излучение лазера собирается в пятнышко площадью ~10-6 см2, в котором создается огромная плот­ность мощности (до 10 ТВт/см2).

Принцип лазерного зондирования атмосферы заключается в том, что лазерный луч при своем распространении рассеивается молекула­ми, частицами, неоднородностями воздуха, поглощается и изменяет свои физические параметры (частоту, форму импульса и др.). Появ­ляется свечение (флюоресценция), что позволяет качественно и количественно судить о тех или иных параметрах воздушной среды (давлении, температуре, влажности, концентрации газов и т д.). Лазерное зондирование атмосферы осуществляется преимущественно в уль­трафиолетовом, видимом и микрометровом диапазонах. Использова­ние лидеров с большой частотой повторения импульсов малой дли­тельности позволяет изучать динамику быстро протекающих процес­сов в малых объемах и в значительных толщах атмосферы.

Обобщенные результаты вышеперечисленных методов контроля атмосферы позволяют устанавливать закономерности планетарного распределения облачного покрова, определять места зарождения и направление перемещения циклонов, тайфунов, пыльных бурь, аэро­зольных и газообразных загрязнителей.

Начиная с 60-х г. в СССР и США проводятся регулярные запуски метеорологических спутников. Запускаются отечественные спутники серии «Космос» и «Метеор», американские спутники серий «Тирос», «Эсса», «Нимбус» и другие. За 1 час спутник накапливает и передает информацию с площади 30 тыс. км2. Успешное функционирование космических систем предоставляет большой объем метеорологичес­кой информации. Значительное количество этой информации посту­пало с орбитальной станции «Мир», которая осуществляла непре­рывный мониторинг за состоянием природной среды Земли.

Контроль загрязнения гидросферы. Наука, изучающая гидросферу Земли, ее свойства, протекающие в ней процессы, называется гид­рологией. Раздел гидрологии, посвященный методам и приборам для определения характеристик природных вод, а также их обработке, называется гидрометрией.

Явления и процессы, протекающие в природных водах, тесно связаны с атмосферными явлениями. В частности, условия и фор­мы движения воды зависят от атмосферных осадков. Наука, изучаю­щая процессы, имеющие отношение как к атмосферному, так и к гидрологическому режиму Земли, называется гидрометеорологией.

Важнейшими характеристиками водной среды является уровень воды, глубина водоема, скорость водотока, температура, цвет вод­ной поверхности, степень минерализации (солености), биомасса и другие характеристики. Система наблюдений за состоянием и каче­ством водной среды относится к области гидрометеорологии и осу­ществляется на соответствующих постах наблюдения — гидрометео­рологических станциях. Так, например, слежение за уровнем воды осуществляется на многочисленных водомерных постах с использова­нием водомерных реек, а также различных самописцев.

В труднодоступных районах устанавливают дистанционные во­домерные посты с самописцами уровня. Преимущество использова­ния самописцев заключается в том, что они дают возможность полу­чать информацию об уровне воды непрерывно. Дистанционные во­домерные посты кроме самописцев уровня имеют еще и передающие устройства, основанные на радио- или электросвязи. Для непрерыв­ного дистанционного контроля глубины водоема используют профилографы, которые по принципу действия делятся на механические, гидростатические и акустические. Механический профилограф изме­ряет глубину с помощью промерного груза на тросе или промерной штанги, перемещается по дну с передачей результатов на записываю­щий механизм с часовым заводом. Гидростатические профилографы производят замер глубин с помощью чувствительного датчика давле­ния, перемещаемого на тросе по дну. Существующие гидростатичес­кие профилографы рассчитаны на промеры глубин до 15 м. Акусти­ческие профилографы основаны на использовании эхолота. В насто­ящее время акустические профилографы нашли широкое применение, так как обеспечивают высокую точность промерных работ. Акустичес­кие профилографы основаны на принципе измерения времени про­хождения в воде ультразвукового импульса.

Для измерения скорости течения рек используется поплавковый метод с применением поверхностных» глубинных и интеграционных поплавков, а также гидрометрических вертушек. Принцип действия последних заключается в и измерении частоты вращения ротора при обтекании его с разных сторон водой реки.

Контроль загрязнении водной среды дистанционными неконтакт­ными методами осуществляется с помощью аэрофотосъемки. Полу­ченные из космоса фотографии и телевизионные изображения широ­ко используются при изучении загрязнения Мирового океана, струк­туры и направлений морских течений, ледового покрова, таяния льдов и др. На фотографиях четко видны снеговые и ледовые покрытия. Определение соотношения территорий, покрытых и не покрытых сне­гом, представляет большой интерес для прогноза паводков. Снимки дают возможность устанавливать заливаемые водой поймы и дельты рек. древние русла, качество иолы в крупных водоемах и водотоках. Анализ снимков позволяет охарактеризовать засоленность прибреж­ных зон. водную эрозию, области выхода подземных вод на поверх­ность. Всемирная гидробиологическая служба, созданная на базе орбитальных станций, дает возможность получить исчерпывающие представления о водных ресурсах Земли и выбрать научные рекомен­дации их расходования, что весьма важно, так как человечество сю­ит перед опасностью хронического водного голода и уже теперь в не­которых странах ощущается нехватка воды.

Загрязнение Мирового океана — один из аспектов общей пробле­мы загрязнения водной среды. К числу главных источников загряз­нения океана следует отнести: нефть, бытовые и сельскохозяйствен­ные стоки, радиоактивные вещества.

Одним из показателей загрязнения волы является изменение се температуры. Измерение температуры водной поверхности осуществ­ляется активными радиолокационными методами с использованием радиолокаторов. Температура волной поверхности фиксируется де­тектором с точностью, не превышающей ±0,5 °С. Измерение темпе­ратуры проводят радиояркостным методом, основанным на измере­нии тепла, излучаемого водной средой, посредством радиоволн от видимого (400—760 им) до метрового диапазона, мощность которого преобразуется в температуру.

К числу наиболее вредных химических загрязнений Мировою оке­ана относятся нефть и нефтепродукты. Количество поступающей за год в Мировой океан нефти оценивается в 5—10 млн т. Особенно высоко содержание нефтепродуктов в прибрежных зонах и о обшир­ных, относительно малоподвижных районах океана, куда ОНИ зано­сятся течением. Нефтяные загрязнения поверхностных вод подверга­ются дистанционному контролю, с помощью которого определяют площадь покрытия, толщину слоя, примерный химический состав, пространственно-временную динамику лих параметров.

Наиболее перспективными дистанционными неконтактными ме­тодами контроля нефти являются лазерный флюоресцентный, радио­метрический и некоторые другие. Лазерный флюоресцентный метод основан на поглощении нефтяной пленкой светового потока (опти­ческих волн), испускаемого лазером, и появления над поверхностью пленки свечения, которое принимается датчиком в виде спектров свечения, причем спектры свечения различных фракций нефти (лег­ких, тяжелых) характеризуются разными длинами волн. Хорошо за­рекомендовавшим себя устройством для выявления всех видов масел, находящихся в море, в условиях ясной погоды оказался инфракрас­ный датчик, работающий в спектральном интервале 8—14 мкм.

Основным и важным качественным показателем Мирового океа­на является его первичная продуктивность, которая обусловлена ко­личеством фитопланктона и его биомассой. Биомассу измеряют по содержанию хлорофилла, поскольку существует связь между данны­ми величинами. Для этой цели применяют спектрографические и спек­трометрические методы, основанные на отражении видимого света или лазерного излучения от фитопланктона, включая также флюо­ресцентное излучение.

Весьма перспективным методом определения концентрации хло­рофилла является флюоресцентный метод, суть которого состоит в анализе спектра отраженного сигнала и сравнении площадей спект­ральных полос флюоресценции хлорофилла и водной среды. Отно­шение этих величин пропорционально отношению концентраций хло­рофилла и молекул воды. На сегодня уже имеется набор данных «спектр возбуждения - спектр флюоресценции», по которым можно судить о возможностях неконтактного контроля хлорофилла по его флюоресценции и, в частности, установлен факт, что вода как тако­вая собственной флюоресценцией не обладает. Кроме того, по изме­нениям форм спектра фотолюминесценции при соответствующих из­менениях возбуждающей длины волны можно качественно характе­ризовать состав флюоресцирующего фитопланктона, по свечению в УФ-свете определять соотношение физиологически наиболее актив­ных, ослабленных и неактивных (мертвых) хлорофиллсодержаших клеток.

Особую актуальность приобретают дистанционный мониторинг водных экосистем в связи с антропогенным воздействием на них. Результаты такого воздействия сказываются и в центральных частях акватории Мирового океана, где без дистанционных методов невоз­можно получить необходимую информацию.

Значительная часть всех измерений и исследований выполняется непосредственно на поверхности океана с помощью научно-исследо­вательских кораблей, а также радиотелеметрических океанографических буев. На последних устанавливаются датчики для измерения тре­буемых параметров, источники питания, устройства для записи ин­формации и радиоаппаратура для передачи данных по радиоканалам на судовые или наземные приемные станции. Такие средства контро­ля открывают возможность в ближайшей перспективе регулярно и до­статочно быстро обследовать всю акваторию Мирового океана и с помощью автоматизированных систем собирать и передавать инфор­мацию в наземные центры.

Контроль загрязнения суши (биолитосферы). В последнее время все большее распространение получают методы дистанционного ис­следования участков суши земной поверхности с применением спут­ников, лазерной и радарной техники.

Для мониторинга биолитосферы используется радарная аэросъем­ка.

Радарная аэросъемка (РАС) — получение изображений местнос­ти с помощью радаров, установленных на летательных аппаратах.

Существует разнообразная аппаратура для радарной аэросъемки, которая дает оперативную и подробную информацию. РАС применя­ют для значительных площадей и получают изображение малых мас­штабов, благодаря чему радарная аэросъемка является мощным обоб­щающим способом изучения ландшафтных особенностей.

Для аэроисследования геологического строения земной коры, по­иска и разведки месторождений полезных ископаемых используют сле­дующие методы дистанционной индикации: фотосъемку, магнитные способы, гамма — съемку, электроразведку, гравитационную разведку, радиолокацию. В настоящее время экологический интерес к этим мето­дам особенно проявляется при проектировании топливно-энергетичес­ких комплексов, изыскании железнодорожных трасс, выборе места за­ложения плотин, электростанций, проектировании трубопроводов, ка­налов, тоннелей и других объектов.

В сельскохозяйственном секторе экономики получают развитие аэрометоды почвенно-растительного контроля с использованием ла­зерной и радарной техники. Эти методы позволяют определить высо­ту деревьев, количество растений, измерить поток энергии, входя­щей в экосистему и выходящей из нее (соотношение поглощенной и отраженной радиации), получить данные, позволяющие предусмот­реть распространение и статистические параметры растительности в зонах, где нет наземного контроля. Особенно перспективными яв­ляются лазерные исследования, при помощи которых можно провес­ти учет пастбищных земель или обработанных участков; измерить оча­ги фитопатогенных факторов и предотвратить их распространение; выявить лесные пожары и т.п.

Для оценки состояния почвы и сельскохозяйственных культур, решения вопросов планирования агрометео- и агротехмероприятий

необходимо прогнозировать оптимальные сроки сева, нормы и сроки полива, дозы питания и подкормки, меры борьбы с заморозка­ми, засухой, сорняками, вредителями. При этом важно иметь дос­товерные, оперативные и широкомасштабные данные о температуре почвы и ее вертикальном профиле (температуре воздуха), влажности почвы по вертикальному разрезу, кислотности, гумусности почвы сведения о состоянии посевов, снежном покрове.

Состояние посевов принято характеризовать следующими парамет­рами: биометрическими (биомасса, площадь листовой поверхности, высота, густота, площадь покрытия растительностью), повреждения­ми (полегание, поражение болезнями и вредителями), засоренностью (вид сорняков, количество, степень развития). Существенным эколо­гическим параметром, которым оценивается антропогенное воздей­ствие на посевы, является загрязненность почв пестицидами, тяжелы­ми металлами, канцерогенами.

Изучение вышеперечисленных параметров основано на биомет­рии, т.е. совокупности приемов планирования и обработки данных биологических исследований методами математической статистики, а также оптических характеристик почвенно-растительного покрова.

Изучение почвенно-растительного покрова в видимой части спек­тра основано на зависимости отражательной способности поверхнос­ти от ее физических свойств. Для почв, покрытых растительностью, в отраженном световом потоке можно выделить составляющие, обра­зованные почвенной поверхностью, растительной поверхностью и многократными переотражениями от границ воздух — растительность и растительность — почва (или более тонкой сложной структурой ти­пов растительности и типов почв). На отражательные свойства ока­зывают также влияние запыленность растительной массы, ветер, тип минерального питания растений, концентрация в атмосфере водяно­го пара, заснеженность и другое.

Важную роль в литосферных исследованиях играет дистанцион­ный контроль сезонного снежного покрова. Изучение снежного по­крова (граница покрова, глубина, плотность, температура, влагосодержание) проводят с помощью активных и пассивных радиояркостных методов, использующих диапазон электромагнитных волн от видимого до метрового. Разбивая множество отраженных от поверх­ности объекта сигналов на группы сигналов, близких между собой по частоте (или длине волны), можно получить четкую картину границы снега, совокупности снега и деревьев, деревьев.

Одним из практически полезных методов почвенного контроля является метод изучения поверхностных радиоволн в различных его вариантах. К поверхностным радиоволнам относят электромагнит­ные волны, которые при своем распространении как бы прижаты к земной поверхности. Примером поверхностных радиоволн могут слу­жить волны, излучаемые радиовещательными станциями.

Биофизические средства контроля. Важной составляющей совре­менного мониторинга является биоэкологический мониторинг (сани­тарно-гигиенический), в основе которого лежат наблюдения над со­стоянием окружающей среды с точки зрения ее влияния на состояние здоровья человека и населения, т.е. человеческой популяции.

В последние годы первостепенное значение приобретает задача контроля за состоянием целостного организма и, естественно, возни­кает необходимость разработки общей методологии системного проек­тирования радиоэлектронной физиологической аппаратуры. В насто­ящее время существует большое разнообразие методик проведения био­логических анализов, контактных средств контроля состояния человеческого организма, комплексов тепловизионных, томографических исследований.

Тенденции развития средств биофизического контроля (комфорт­ность, оперативность, высокопроизводительность, достоверности, особенно в связи с появлением космической медицины, систем че­ловек — оператор, глобальным решением задач здоровья, свидетель­ствуют о целесообразности более активной разработки и серийного освоения неконтактных методов и систем контроля. При этом необ­ходимо рациональное совмещение неконтактных и традиционных кон­тактных датчиков, разнообразных методологий контроля и диагноза. Учитывая, что в медицинской электронике изделие морально устаре­вает в среднем за 4—5 лет, необходимо сопоставлять как научно-тех­нический уровень разработок, так и сроки их практического внедре­ния.

В человеческом теле имеется около 500 разновидностей тканей с различными электроакустическими свойствами, из чего вытекает це­лесообразность комплексирования биофизического контроля как по принципам (активный, пассивный), так и по типам зондирующих полей (электромагнитные, акустические). В связи с этим встают за­дачи электромагнитной и акустической совместимости датчиков кон­троля, сопряжения полученных данных в единый диагностический медико-биологический банк.

Первые практически пригодные активные звуколокационные ус­тройства для работы в воздушной среде появились в послевоенный период и предназначались для ориентации слепых, профилирования стен, измерения уровней заполнения жидкостью. Однако в физио­логическом контроле является важным не дальность локации, а чув­ствительность измерений.

Электромагнитный метод контроля в медицине и биологии ста­ли использовать в начале XX века. Так, в 1924 г. было установлено, что кожа обладает способностью флюоресцировать синеватым цве­том, оттенки которого у разных людей неодинаковы. Интенсивность и цвет флюоресценции кожи зависит от ее пигментации, кровена­полнения, состояния рецепторов, желез и др.

Учитывая важность знания упругих свойств внутренних органов и тканей и диагностические возможности ультразвуковых волн, элек­тромагнитно-акустический метод неконтактного подповерхностного контроля приобретает важную роль. Метод основан на переходе в кожном покрове энергии лазерного излучения в ультразвуковые зон­дирующие волны, которые затем неконтактно регистрируются при выходе из тела.

Необходимо учитывать, что эффективность подобного преобразо­вания энергии электромагнитного поля в энергию акустических коле­баний сравнительно мала (по отношению к традиционным электроаку­стическим преобразователям), а также то, что акустическое давление при переходе из тела в воздух увеличивается всего в 1,5—2,0 раза. При численных оценках величины эффективности необходимо учитывать, что интенсивность облучающего кожу электромагнитного сигнала дол­жна быть не более 50 мВт/см2, интенсивность образованного акусти­ческого сигнала — менее 30 мВт/см2, а также ряд других ограничений.

Изучая органы чувств человека, исследователи пришли к заклю­чению, что они являются естественными биологическими датчика­ми контроля. Например, глаза представляют собой неконтактные электромагнитно-биологические индикаторы в диапазоне зондиру­ющих волн 380—760 нм; уши являются неконтактными акустобио- логическими индикаторами, имеющих ограниченный спектральный диапазон восприятия акустических сигналов (20 Гц — 20кГц). Так­тильные рецепторы кожи возбуждаются при прикосновении к ним или давлении на них. Тепловые рецепторы кожи различают тепло или холод. В частности, рука человека чувствует изменения темпе­ратуры в 1 °С.

Наземные средства контроля

Биологические методы. Система оценки степени загрязнения ат­мосферного воздуха, водоемов и почвы, основанная на учете состоя­ния соответствующих экосистем, называется биоиндикацией. Методы биоиндикации основываются преимущественно на двух принципах: регистрации обнаружения характерных организмов (биоиндикаторов) и анализе видовой структуры биоценозов.

Биоиндикатор (indicator — указатель) — организм, вид или со­общество, по наличию, состоянию и поведению которого можно с большой достоверностью судить о свойствах среды, в том числе о при­сутствии и концентрации загрязнителей.

Согласно В. В. Соколову (1994 г), живые индикаторы имеют боль­шие преимущества, устраняя применение дорогостоящих и трудоем­ких физико-химических методов для определения степени загрязне­ния среды: они суммируют все без исключения биологически важные данные о загрязнениях, указывают скорость происходящих измене­ний, пути и места скоплений в экосистемах различного рода токсикантов, позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы и человека.

В целях биоиндикации используются низшие и высшие расте­ния, микроорганизмы, различные виды животных. Так, чрезвычай­но чуткими индикаторами загрязнения воздуха, учитывая особенности их биологии и физиологии, служат лишайники и мхи. Массовая гибель лишайников вызывается относительно малым уровнем загряз­нения воздуха диоксидом серы. Именно по этой причине, как счи­тают специалисты, в окрестностях крупных промышленных городов ряда западноевропейских стран почти полностью исчезли многие виды лишайников. В странах Скандинавии в качестве индикатора загряз­нения атмосферного воздуха тяжелыми металлами используют сфаг­новые мхи.

Многочисленные наблюдения показали, что антропогенное за­грязнение атмосферы существенно воздействует на высшие растения; изменяет окраску листьев, вызывает некроз (омертвение), опадание листьев, изменение формы роста и ветвления и другие.

Например, типичными признаками повреждения при загрязне­нии приземного воздуха диоксидом серы являются: у сосны обыкно­венной — побурение кончиков игл хвои, у ясеня американского — обширное междужилковое обесцвечивание листьев и т.д. В.А. Врон­ским (1996 г.) составлена таблица, где даны основные растения — индикаторы загрязнения атмосферного воздуха различными химичес­кими веществами.

Хвойные породы являются наиболее чувствительными к различным химическим загрязнениям воздуха и особенно страдают от диоксида серы. Чувствительность к нему убы­вает в последовательности: ель — пихта — сосна — лиственница. На­дежными индикаторами на озон являются наиболее чувствительные сорта табака, томаты, цитрусовые.

Интересно, что обычная крапива является биоиндикатором вы­сокой концентрации в почве кальция; многие растения-галофилы (солелюбы) указывают на высокую степень засоления почвы. Некото­рые водные организмы свидетельствуют о степени загрязнения воды (например, личинки некоторых двукрылых насекомых). В Германии разработана и широко применяется методика использования светя­щихся бактерий с целью индикации загрязняющих веществ в про­мышленных сточных водах. О чистоте воды часто судят по нормаль­ному развитию высших ракообразных и некоторых водорослей.

В целях определения экологического состояния водоемов исполь­зуют результаты гидробиологических наблюдений, которые дают наи­более полную информацию. Биоиндикация загрязнения водоемов включает большой набор показателей, охватывающих основные тро­фические уровни водной экосистемы: фитопланктон, зоопланктон, бентос и другие. При этом суммирующими (интегральными) пока­зателями, которые способны охарактеризовать общий уровень загрязнения вод всем комплексом токсичных веществ и, следователь­но, опасность водной среды для гидробионтов, являются битестовые (токсикологические) показатели. Соответствующий токсикологичес­кий анализ проводится с помощью приемов и методов биотестирования токсичности.

Относительно новым направлением в мониторинге загрязнения водных экосистем (прежде всего пресных) является анализ и оценка загрязненности донных отложений, которые представляют собой неотъемлемую часть водной экосистемы. Донные отложения при по­ступлении загрязняющих веществ накапливают их, превращаясь в сво­его рода их хранилище (депо). При этом загрязняющие вещества мо­гут вступать друг с другом и с компонентами экосистемы в различные взаимодействия, в том числе химические. Тем самым донные отло­жения становятся источником вторичного, подчас еще более опас­ного, загрязнения.

В процессе экологических исследований почв применяют различ­ные биологические показатели: «дыхание» почвы, численность гри­бов, дрожжей и др. При этом учитывают несколько показателей, поскольку их «чувствительность» к разным загрязняющим веществам значительно отличается.

В работах по выявлению зон экологического неблагополучия, когда необходимо предварительно оценить экологическое состояние почв. Основными показателями являются критерии физической де­градации, химической и биологической загрязненности. При этом в качестве признака биологической деградации (например, вследствие токсического воздействия) служит снижение уровня активности мик­робной массы, а также показатель дыхания почвы.

В последнее время в качестве комплексного показателя загрязне­ния почвы специалисты рекомендуют использовать показатель фитотоксичности. Фитотоксичность —- тестовый интегральный показатель, характеризующий свойство загрязненной почвы подавлять прораста­ние семян, рост и развитие высших растений.

Известно, что сточные воды, поступающие в водоемы, даже после очистных сооружений содержат токсические вещества, способные нанести значительный ущерб водным экосистемам, а следовательно, и здоровью человека.

Токсичность воды может быть обнаружена с помощью химичес­ких и биологических методов.

Химические методы, давая возможность с высокой точностью оп­ределять концентрации загрязняющих веществ, тем не менее не позво­ляют оценить реальные биологические эффекты как отдельных веществ, так и их комплексов и, тем более, продуктов их трансформации. До­бавим к этому, что в настоящее время, по оценке A.M. Никандрова и Т.А. Хоружей (1999 г.), контролируется всего около 0,3% поступаю­щих в среду обитания веществ.

Условно биологические методы можно разделить на методы био­индикации вод и биотестирования.

Методы биоиндикации позволяют получить данные, которые ха­рактеризуют отклик водных биоценозов на то или иное антропоген­ное воздействие. Правда, указанный отклик формируется за опреде­ленный, подчас длительный промежуток времени. Поэтому, страдая определенной консервативностью, данный метод не позволяет выя­вить возможные адаптационно-приспособительные изменения в вод­ных сообществах.

В отличие от биоиндикации, методы биотестирования представля­ют собой характеристику степени воздействия на водное биоценозы. Указанные методы позволяют получить достаточно надежные данные о токсичности конкретной пробы загрязненной воды, чем приближают­ся к химическим. Но в отличие от последних они позволяют реально оценить токсические свойства воды, обусловленные наличием комп­лекса загрязняющих химических веществ.

Биотестирование ныне является основным приемом в разработке ПДК химических веществ в воде. При этом определяют такие парамет­ры, характеризующие токсичность, как ЛК50 (летальная концентра­ция для 50% тест-организмов), ЭК (эффективная концентрация для 50% тест-организмов), МНК (максимально недействующая концент­рация), ОБУВ (ориентировочно безопасный уровень воздействия), ОТД (острое токсическое действие), ХТД (хроническое токсическое дей­ствие) и ЛВ50 (время гибели 50% тест-организмов).

Биотестирование применяют при оценке токсичности промыш­ленных сточных вод на разных этапах их очистки, особенно при вне­дрении новых технологий, а также для разработки ПДС предприя­тий. Последние, как известно, включены в экологический паспорт предприятия. «Правилами охраны поверхностных вод» (1991 г.) био­тестирование введено как обязательный элемент контроля указанных вод (озер, рек и т.д.). Его показатели включены в перечень показате­лей для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия.

Экотоксикология и оценка риска антропогенного токсического за­грязнения. Под экотоксикологией понимают новую науку, которая ис­следует воздействие поллютантов (загрязнителей) на окружающую природную среду и биоту. При этом человек признается наиболее важной частью биоты, а эффекты воздействия поллютантов на здо­ровье человека — центральным звеном в экотоксикологии.

Как считают экологи, стратегия мониторинга токсического за­грязнения ОПС должна основываться на современных научных дости­жениях, включающих прежде всего два главных направления: 1) экотоксикологический подход к анализу уровня и последствий антропо­генного воздействия на ОПС; 2) применение концепции оценки возможного риска (анализа, оценки и управления риском).

Ныне признается, что хотя экотоксикология и оценка риска и представляют собой относительно новые отрасли научного познания, именно они выдвинулись в авангард общемировых тенденций разви­тия методологии контроля качества среды обитания человека и оцен­ки экологической опасности, происходящей в результате хозяйствен­ной и иной деятельности человечества.

Экотоксикология, в отличие от классической токсикологии, рас­считывает отклик на воздействие поллютанта не отдельного организ­ма, а популяции, сообщества или экосистемы. Важно также понять, что поллютанты воздействуют на один или более организмов-мишеней. Для того чтобы это оценить, следует на первом этапе установить (идентифицировать) природу указанных мишеней (сам человек, до­машний скот, популяция, экосистема и т.д.) и далее исследовать тип воздействия.

В качестве главных ныне признают следующие направления экотоксикологии:

  • идентификацию поллютантов, их форм и компонентов в экосис­теме, в которую они поступили;
  • выявление эффекта воздействия поллютантов, в частности био­химических, физиологических и анатомических, на отдельные орга­низмы или небольшие группы отдельных видов (позволяет обнару­жить мишени воздействия на уровне отдельного организма);
  • изучение эффектов воздействия поллютантов на уровне популяции, сравнение с видовыми эффектами, выделение наиболее чувствительных видов и наиболее важных эффектов для этих видов (делает возможным выявление мишеней и точек приложения на популяционном уровне);
  • количественное исследование миграции поллютантов в экосисте­ме, в том числе массы токсикантов, которые достигают мишени через воздух, воду, почву, времени циркуляции токсикантов в этих средах;
  • изучение комбинированных эффектов воздействия поллютантов для интегрированной оценки их воздействия на окружающую среду.

Рассмотренные принципы экотоксикологического подхода к ана­лизу ОПС являются базой для национальных систем и программ мо­ниторинга окружающей среды, в том числе мониторинга качества вод, а также международных программ.

Химические методы контроля окружающей среды. Методы анали­за, используемые в современных лабораториях, занимающихся кон­тролем окружающей среды, включают множество вариантов опти­ческих методов анализа (например, спектрофотометрию в видимой, УФ- и ИК-областях), методов разделения на основе газовой, жидко­стной и тонкослойной хроматографии, радиометрических методов (применяются ограниченно, так как требуют специально подготов­ленных лабораторий) и электрохимических методов, таких как вольтамперометрия и ионометрия, имеющих определенные преимущества с точки зрения низкой стоимости и необходимых расходов на эксплу­атацию приборов.

Главной задачей, стоящей перед специалистами данной области, является разработка новых, более чувствительных, точных, селек­тивных и не слишком дорогостоящих методов анализа.

Лаборатории, в которых определяют субнанограммовые (10-21) содержания веществ, уже стали обычным явлением, а некоторые новые методы анализа настолько чувствительны, что позволяют оп­ределять до нескольких сотен отдельных атомов. Аппаратура, необ­ходимая для проведения подобных анализов (например, для анализа мелких частиц, осажденных на поверхности других сопутствующих частиц), сложна и дорогостоящая (например, стереоэлектронные и поляризационные микроскопы, рентгеновские и дифракционные спектрометры, электронные и ионные микрозонды в сочетании с масс- спектрометрами, приборы радиоактивационного анализа, лазерная техника). Для работы с такой аппаратурой требуется специальная под­готовка операторов. Тем не менее более простые методы анализа до­статочно часто находят применение при повседневном контроле объек­тов окружающей среды. Например, рН-контроль почв и воды, кон­троль загрязнений в почвах, водах, атмосфере и живых организмах.

Оптические методы анализа применяются во многих областях кон­троля окружающей среды. Классические фотометрия и спектрофотометрия, основанные на образовании определяемыми компонентами окрашенных соединений с разнообразными реагентами, находят до­статочно широкое применение. Вместе с тем усиливается роль атомно-абсорбционной и эмиссионной (флуоресцентной) спектрометрии, то есть тех методов, которые позволяют уже сейчас определять боль­шинство химических элементов в анализируемых пробах с низкими пределами обнаружения (10-14 г). Для этих целей широкое практи­ческое применение получили автоматизированные спектрометры и квантометры, несмотря на их высокую стоимость.

Атомно-абсорбционная спектрометрия становится обычным ме­тодом, особенно при контроле загрязнений атмосферы и вод, когда простейшая предварительная пробоподготовка или концентрирование способствует повышению чувствительности определений. То есть вышеперечисленные методы позволяют идентифицировать количе­ственный состав определяемых компонентов (загрязнителей) в раз­личных объектах окружающей среды.

Для установления структуры и исследования механизма, проте­кающих процессов, используют методы: рентгенофлуоресцентный, дифракционный анализ, молекулярную спектрометрию (ИК-, УФ-, ЯМР-, ЭПР-спектроскопия и др.).

Радиометрические методы занимают особое положение среди ме­тодов, используемых для аналитического контроля окружающей при­родной среды. Их использование в лабораториях контроля загрязне­ний окружающей среды ограничено, так как эти методы требуют спе­циального оборудования и соблюдения множества требований безопасности. Однако в тех случаях, когда другие методы анализа не могут быть использованы, в основном из-за очень высоких требова­ний к пределам обнаружения, применяют радиометрические. На­пример, для определения следов элементов в биологических матери­алах используют изотопный стехиометрический анализ или нейтронно-активационный метод.

Некоторые определения основаны на измерении радиоактивнос­ти изотопов, встречающихся в природе, например 40К. На этом ос­новано радиометрическое определение калия в почве и в калийных удобрениях.

Большое значение приобрел метод меченых атомов. Этим мето­дом исследуют эффективность различных приемов внесения удобре­ний в почву, пути проникновения в организмы микроэлементов, на­несенных на листья растений.

В настоящее время быстро совершенствуются методы разделения, особенно газохроматографические (в сочетании с ИК-, ЭПР-спектрометрией), и методы жидкостной хроматографии (распределитель­ной, ионнообменной, адсорбционной), а также электрофоретические методы. Для идентификации и количественного определения органических соединений со сходной структурой хроматографичес- кие методы часто оказываются незаменимыми.

Многие задачи химического анализа при охране окружающей среды связаны с необходимостью определения следов неорганических и орга­нических веществ, часто находящихся в пробах на уровне миллиард­ных долей и даже ниже. В таких случаях высокая чувствительность методов анализа должна сочетаться с достаточной селективностью, а также правильностью и воспроизводимостью результатов определе­ний. Желательно, чтобы предварительная пробоподготовка не имела сложного характера, а длительность выполнения единичного опреде­ления была минимальной.

Поскольку при контроле объектов окружающей среды чаще всего проводят серийные анализы, предпочтение отдают тем методикам, которые легко поддаются полной автоматизации начиная от отбора проб и кончая выдачей результатов анализа. При выборе метода ана­лиза желательно, чтобы стоимость оборудования была доступна для большинства лабораторий, использующих этот метод.

Достаточно часто контроль качества окружающей среды прихо­дится проводить в полевых условиях, а это исключает работу с круп­ногабаритными приборами, даже если они удовлетворяют вышеука­занным критериям.

Современные приборы и оборудование должны быть приспособ­лены для контроля широкой номенклатуры веществ и для определе­ния по возможности нескольких компонентов проб.

В наибольшей степени вышеуказанным требованиям удовлетво­ряют электрохимические методы, которые находят широкое приме­нение в анализе почв, вод, атмосферы, биологических объектов.

Электрохимические методы позволяют получать данные, объяс­няющие механизм химических реакций в контролируемых системах, одновременно с оценкой содержания участвующих в этих реакциях компонентов (например, при изучении циклов типа «загрязнение — окружающая среда — источник — человек»). К основным электрохи­мическим методам, имеющим широкое практическое применение, относятся вольтам перо метр ия (включая полярографию), потенциометрия (ионометрия),кулонометрия и кондуктометрия. Интересно отметить, что из всех электрохимических методов, только ионометрия с мембранными ионселективными электродами, явилась прин­ципиально новой разработкой второй половины XX столетия. Все остальные методы известны давно и были просто модернизированы по мере усовершенствования аппаратурного оформления.

Все методы химического анализа, и уже освоенные, и вновь по­явившиеся, постоянно совершенствуются. В дальнейшем их совершенствование будет происходить в основном за счет применения ана­логовых и цифровых устройств или их комбинаций, а также за счет автоматизации и миниатюризации аппаратуры и модернизации спо­собов обработки больших выборок экспериментальных данных совре­менными математико-статистическими методами.

Вопросы для самоконтроля

  1. Какие методы исследования используются в дистанционном и наземном мониторинге?
  2. Сущность неконтактных и контактных методов контроля.
  3. Что называется метеорологией? Что является основным компо­нентом в системе метеорологических наблюдений?
  4. Какими методами и средствами осуществляются метеорологи­ческие исследования?
  5. Что такое гидрология, гидрометрия, гидрометеорология?
  6. Каковы особенности неконтактного контроля атмосферы, гид­росферы, биосферы и литосферы?
  7. В чем преимущества дистанционных методов при изучении объек­тов окружающей среды?
  8. Что называется биоиндикацией? Сущность биологических мето­дов контроля окружающей среды.
  9. Что понимают под экотоксикологией?
  10. Каким требованиям должны удовлетворять методы химического анализа объектов природной среды?
  11. Важнейшие оптические методы и определяемые ими загрязнения.
  12. Электрохимические методы анализа загрязнений окружающей среды их преимущества.
  13. Классификация радиометрических методов анализа, их роль в экологическом мониторинге.
 

Интересно знать

Департамент энергетики США отобрал 37 исследовательских проектов в области хранения энергии, энергии биомассы, захвата диоксида углерода и ряда других направлений. Среди них - новые металловоздушные батареи на основе ионных жидкостей с плотностью энергии превышающей в 6-20 раз плотность энергии обычных литиевых аккумуляторов, а так же проект по получению бензина непосредственно из солнечного света и CO2 используя симбиоз двух микроорганизмов.

купить масло мобил 5w30 масло мобил 5w30 интернет магазин автомасел
 
Накладка купить запчасть 6L0064703A Skoda Audi Volkswagen Seat
 
hide bitcoins
 
https://myfreemp3.click