Metody monitorowania środowiska. Teledetekcja Ziemi

Monitorowanie środowiska (śledzenie) to proces monitorowania stanu różnych składników środowiska i oceny jego aktualnego stanu. Aby bardziej kompletna i kompleksowa ocena wymagała właściwej organizacji monitoringu ekologicznego, wyznaczenia wspólnych kryteriów i parametrów jakości środowiska. Monitorowanie środowiska może realizować cele zarówno regionalne, jak i globalne. Przykłady monitorowania środowiska można znaleźć dosłownie wszędzie.

Co to jest monitorowanie środowiska?

Monitorowanie środowiska jest raczej złożoną techniczną i organizacyjną działalnością środowiskową, w którą zaangażowane są różne organy i urzędnicy. Informacje uzyskane w tym przypadku mają bardzo zróżnicowany charakter, treść, formy, kolejność odbioru, status prawny i metody dystrybucji. W Rosji mogą z niego korzystać władze państwowe, podmioty Federacji Rosyjskiej i lokalne departamenty. Takie informacje mają wartość naukową i użytkową. Na jego podstawie zbudowano wiele prognoz, szacuje się reakcję różnych systemów naturalnych i antropogenicznych na różne wpływy. Służy do federalnych i ukierunkowanych programów ochrony środowiska.

Monitorowanie środowiska odbywa się w punktach stacjonarnych lub mobilnych: specjalnie wyposażonych samochodach, posterunkach, stacjach, laboratoriach, ośrodkach badawczych. Otrzymane informacje są następnie przetwarzane. Metody monitorowania środowiska są różne i zależą od zadań.

Zanieczyszczenie środowiska

Ciągły wzrost liczby ludności na świecie, w połączeniu ze wzrostem dobrobytu materialnego ludzi, gwałtownie zwiększa presję na środowisko, powodując różne negatywne konsekwencje. Redukcja obszarów naturalnych i zwiększone zanieczyszczenie stały się głównymi konsekwencjami działalności człowieka. Głównymi czynnikami zanieczyszczenia środowiska są:

• Emisje przemysłowe i ścieki wpływające na jakość powietrza, wody i gleby, negatywnie wpływające na zdrowie ludzi.
• Emisje gazów cieplarnianych (dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu i inne), które wpływają na temperaturę dolnej atmosfery, grubość oceanów i górnej warstwy skorupy ziemskiej.
• Erozja gleby spowodowana nieracjonalnym użytkowaniem terenu. Prowadzi to do zanieczyszczenia rzek i innych wód zawieszonymi cząsteczkami i szkodliwymi substancjami.
• Śmieci domowe i przemysłowe, które są szkodliwe zarówno same w sobie, jak i w postaci produktów jego rozkładu. Może prowadzić do zatrucia ekosystemów i złego zdrowia ludzi.
• Inwazyjne gatunki roślin i zwierząt, które często powodują ogromne szkody w środowisku.
• Zanieczyszczenie promieniowaniem na skutek wypadków w elektrowniach jądrowych, pracy przedsiębiorstw radiochemicznych, górnictwa medycznego i uranu.
• Pestycydy i herbicydy prowadzące do zanieczyszczenia wody i gleby, głównie na obszarach rolniczych.
• Górnictwo, które często staje się źródłem szkodliwego pyłu i zanieczyszczenia wody.
• Pożary: przemysłowe, domowe i leśne. Są znaczącym źródłem zanieczyszczenia powietrza i przyczyną śmierci lub uszkodzeń ekosystemów.
• Wyciek oleju i środka powierzchniowo czynnego z powodu wycieków i wypadków. Najsilniej wpływają na stan mórz i oceanów, zmniejszają parowanie, a tym samym ilość opadów.
• W USA występuje problem zanieczyszczenia wód śródlądowych narkotykami. Mogą również powodować pogorszenie jakości mięsa lub mleka.
• Masowe wylesianie jest przyczyną zanieczyszczenia rzek i wód gruntowych, a także może zwiększać zanieczyszczenie powietrza cząstkami pyłu. Prowadzi to do zmniejszenia parowania i opadów deszczu, niekorzystnie wpływa na klimat, zwiększając kontynentalność.

Ocena wpływu na środowisko

Celem badania jest sprawdzenie zgodności działalności gospodarczej z przepisami ochrony środowiska. Najczęściej dotyczy nowych projektów, których realizacja może wpłynąć na środowisko. Wiedza ekologiczna może być państwowa i publiczna. Na podstawie jego wyników wyciąga się wniosek na temat dopuszczalności lub niedopuszczalności projektu. Jednak nawet jeśli projekt przeszedł przegląd środowiskowy, w zbudowanym obiekcie można zorganizować monitorowanie środowiska.

Historia monitoringu środowiska

Po raz pierwszy monitorowanie środowiska zostało omówione w 1971 r. W komitecie naukowym ds. Problemów środowiskowych, a następnie w 1972 r. Podczas konferencji środowiskowej ONZ w Sztokholmie. Znaczenie takiego monitorowania było omawiane w tych latach w ZSRR. W tym celu zaproponowano utworzenie systemu rezerw biosfery.

W latach 70. radzieccy naukowcy wnieśli wielki wkład w rozwój pomysłów dotyczących zasad monitorowania środowiska. W procesie tym aktywnie uczestniczył szef Centrum Hydrometeorologicznego, Yu. A. Israel. Podsumowujące prace na ten temat opublikowano w 1975 r. Pod kierunkiem akademika I.P. Gerasimova, który wyróżnił 3 etapy monitorowania:

1. Jego zdaniem na pierwszym poziomie monitorowania należy zwrócić szczególną uwagę na obserwacje stanu środowiska i jego wpływu na zdrowie ludzkie. Głównymi wskaźnikami na tym etapie powinny być wskaźniki reakcji danej osoby: wskaźnik zapadalności, średnia długość życia, wskaźnik urodzeń i umieralność itp.
2. Drugi poziom obejmuje monitorowanie bardziej ogólnych wskaźników: produktywność biologiczna, metabolizm masy i energii itd. Takie obserwacje należy przeprowadzać w specjalnych szpitalach, na poligonach itp.
3. Celem trzeciego etapu jest monitorowanie procesów i ilości na dużą skalę: pylenie atmosfery, zanieczyszczenie oceanów, globalna zawartość pary wodnej itp.

Zadania i przedmioty monitorowania środowiska

Monitorowanie środowiska ma na celu rozwiązanie następujących problemów:

• Regularne monitorowanie środowiska i jego zanieczyszczenia.
• Prognozowanie i ocena sytuacji środowiskowej, zwłaszcza w odniesieniu do zmian klimatu.

Obiektami śledzącymi mogą być:

• Środowisko i jego składniki (atmosfera, hydrosfera, biosfera, litosfera, urbosfera).
• Jakość środowiska, którego zmiana może mieć negatywne konsekwencje.
• Niektóre rodzaje działań antropogenicznych, które mogą wyrządzić szkodę innym.
• Przedsiębiorstwa, składowiska, technologie, elektrownie jądrowe itp.
• Katastrofy spowodowane przez człowieka: wycieki ropy, pożary, wypadki, incydenty i inne niebezpieczne zjawiska o charakterze naturalnym lub spowodowanym przez człowieka.
• Chronione naturalne obszary.

Różne organizacje ekologiczne, instytuty badawcze, władze (zarówno federalne, jak i lokalne), stowarzyszenia publiczne, przedsiębiorstwa i inne podmioty gospodarcze, międzynarodowe organizacje naukowe (na przykład NASA) mogą prowadzić monitorowanie środowiska.

Rodzaje monitorowania

Pod względem zasięgu monitorowanie jest podzielone na lokalne, regionalne, krajowe i globalne.

• Lokalnie monitorują małe obszary dowolnej miejscowości.
• Gdy obserwacje regionalne są prowadzone w skali regionalnej.
• Na śledzenie krajowe prowadzone na terytorium danego państwa.
• Globalny monitoring środowiska obejmuje śledzenie procesów na dużą skalę, które mają znaczenie międzynarodowe.

Zgodnie z przedmiotem obserwacji może to być podstawowa, biosferyczna, atmosferyczna, hydrologiczna, gleba, promieniowanie, higieniczna, geobotaniczna, zoologiczna itp.

Główne metody monitorowania środowiska

Obecnie metody monitorowania środowiska dzielą się na 2 główne kategorie:

1. Obserwacje naziemne (fizyko-chemiczne, bioindykacyjne, meteorologiczne, fotograficzne, medyczne itp.).
2. Zdalne metody monitorowania środowiska (wykrywanie satelitarne, śledzenie z dronów itp.).

Oczywiście w pierwszym przypadku procesy lokalne i regionalne są częściej oceniane, aw drugim - na dużą skalę i globalnie.

Monitoring satelitarny

Teledetekcja Ziemi wykorzystuje dane satelitarne, dane z samolotów, dronów, statków. Dane satelitarne zapewniają możliwie najszerszy zasięg badanego obiektu, dlatego są często wykorzystywane do uzyskiwania informacji o globalnych zmianach środowiska. Na zdjęciach lotniczych wyraźnie widać skalę wylesiania, urbanizacji, zanieczyszczenia pyłem atmosfery, topniejącego lodu itp. Dane z detektorów podczerwieni dostarczają informacji o temperaturze różnych części powierzchni ziemi i szacują jej albedo. Odbicie fal radiowych i promieniowania ultrafioletowego od powierzchni wody dostarcza informacji o zanieczyszczeniu ropą oceanów.

Teledetekcja Ziemi staje się coraz bardziej popularnym rodzajem badań w ekologii.

Ale monitorowanie satelitarne może być również wykorzystane do śledzenia sytuacji na poziomie lokalnym. Na przykład obrazy lotnicze mogą dostarczyć informacji o stanie lasów, sytuacji pożarów lasów, ogniskach burz itp., Które mogą wystarczyć do podjęcia pewnych praktycznych decyzji. Aby uzyskać wysokiej jakości i dokładne obrazy, można zaangażować drony.

Metody biologiczne

Biologiczne metody monitorowania środowiska to metody śledzenia naziemnego. Są również nazywane bioindykacją. Głównym przedmiotem takiego monitorowania są obiekty biologiczne: gatunki, społeczności, ekosystemy, łańcuchy pokarmowe itp. Do analizy wykorzystuje się fakty, takie jak rozmieszczenie gatunku, zmiana jego liczebności lub całkowite zniknięcie lub pojawienie się na nowym obszarze. Podczas badań geobotanicznych śledzą zmianę zasięgu niektórych gatunków, dynamikę biomasy, bioproduktywność, rozmieszczenie wysokościowe i szerokościowe gatunków i zbiorowisk itp.

Bioindykatory mogą obejmować: szerokość rocznych pierścieni, zażółcenie liści, suszenie drzewostanu, wysokość drzew, obecność chwastów (gatunki pionierskie) i inne oznaki.

Monitorowanie biologiczne obejmuje wszystkie poziomy - od molekularnego i komórkowego po globalny. W przypadku badań, w zależności od zadań, organizowane są laboratoria ekspedycyjne.

Przed przeprowadzeniem monitorowania biologicznego konieczne jest opracowanie metodologii jego wdrażania i uzyskanie niezbędnych danych, ponieważ różne systemy biologiczne różnie reagują na różne rodzaje narażenia. Wybrane są organizmy lub ekosystemy najbardziej wrażliwe na wpływ człowieka. Takie organizmy nazywane są wskaźnikami. Dzięki zastosowaniu biotestów dobierane są kryteria diagnostyczne do oceny poziomu wpływu czynnika na badany obszar.

Dlatego monitoring biologiczny wykorzystuje metodę bioindykacji. Oczywiście dokładność takich badań będzie niższa niż przy zastosowaniu metod fizycznych. Jednocześnie umożliwią ocenę całkowitych szkód spowodowanych przez antropogeniczne działania na ekosystemy naturalne, których nie można osiągnąć innymi metodami. W rezultacie możliwe będzie odizolowanie od kompleksu wpływów najbardziej znaczących dla stanu środowiska i podjęcie odpowiednich środków w celu zmniejszenia obciążenia antropogenicznego. Aby ocenić możliwe szkody dla zdrowia publicznego, zaleca się analizowanie próbek toksykologicznych, które dotyczą metod monitorowania fizykochemicznego.

Do bioindykacji najczęściej stosuje się ryby, mikroorganizmy i glony. Wiadomo również, że raki preferują czystą wodę, a zatem są dobrym wskaźnikiem zanieczyszczenia. To samo dotyczy niektórych gatunków porostów, które są również przedmiotem bioindykacji.

Możliwości monitorowania biologicznego

Bioindykacja środowiska nadaje się do następujących zadań:

• Opracowanie kompleksowej oceny antropogenicznego wpływu na charakter badanego regionu.
• Zidentyfikuj przypadkowe lub utajone emisje, w tym celowe wprowadzenie w błąd poprzez zarządzanie informacjami na temat ich własnych emisji.
• Umożliwiają ocenę wrażliwości organizmów na emitowane zanieczyszczenia lub inne szkodliwe skutki.
• Pokaż współczynnik odpowiedzi biosystemów i ich skalę.
• Umożliwiają mapowanie ognisk zanieczyszczeń i koncentracji szkodliwych zanieczyszczeń.
• Pozwalają ocenić stopień zagrożenia określonymi zanieczyszczeniami dla środowiska iz dużym prawdopodobieństwem dla ludzi.
• Pomagają w racjonowaniu maksymalnych dopuszczalnych obciążeń środowiskowych i, w razie potrzeby, podejmują środki w celu ich zmniejszenia.

Metody laboratoryjne, pobieranie próbek

Fizyko-chemiczne metody monitorowania środowiska są najczęściej laboratoryjne. Analiza rozpoczyna się od pobrania próbek powietrza, gleby lub wody, a następnie na specjalnym sprzęcie przeprowadza się anazję dla zawartości zanieczyszczeń. Nazywa się to również analizą instrumentalną.

Metody fizykochemiczne są następujące:

• wskazanie chromatograficzne;
• spektrometria w podczerwieni;
• metody fluorymetryczne;
• metody elektrochemiczne;
• metody spektrometrii mas;
• analiza luminescencyjna;
• metody inżynierii radiowej.

Metody chromatograficzne

Metody te są często stosowane do wykrywania zanieczyszczeń, szczególnie podczas analizy cieczy. Najpopularniejsze to chromatografia gazowo-cieczowa, cienkowarstwowa, cieczowa i jonowa. Cienka warstwa jest łatwa do wykonania i służy do wykrywania pestycydów i zanieczyszczeń organicznych. Gaz-ciecz jest bardziej skuteczna w analizie lotnych związków organicznych. Chromatografia cieczowa służy do wykrywania nielotnych związków chemicznych.

Detektory o wysokiej czułości oparte na różnych metodach fizykochemicznych umożliwiają wykrywanie nawet niewielkich ilości zanieczyszczeń, co jest ważne w wykrywaniu wysoce toksycznych związków. W połączeniu z technikami chromatograficznymi spektrometria masowa i spektrometria w podczerwieni mogą dać dobry wynik w identyfikacji złożonych kombinacji zanieczyszczeń. Tego typu analizatory łączą się z potężnymi komputerami. Za ich pomocą można wykryć takie niebezpieczne substancje, jak dioksyny, polichlorowane bifenyle, nitrozoaminy i toksyczne pestycydy.

Chromatografia jonowa służy do analizy stosunku kationów do anionów.

Spektrofotometria

Ta metoda wykorzystuje promieniowanie podczerwone. Analiza widm absorpcji, odbicia i rozpraszania umożliwia dość dokładne określenie obecności i stężenia zanieczyszczeń. Posiadanie katalogu widm różnych substancji ułatwia określenie rodzaju zanieczyszczenia lub korzystnej substancji obecnej w próbce lub produkcie. Widmo w podczerwieni umożliwia określenie nawet takich właściwości, jak gęstość, rozkład wielkości cząstek, kaloryczność produktów spożywczych i kiełkowanie nasion.

Metoda luminescencyjna

Jest to jeden z najbardziej wrażliwych sposobów identyfikacji zanieczyszczeń. Za jego pomocą określa się śladowe ilości zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych w próbkach powietrza. Może być stosowany do monitorowania hydrosfery i biosfery, a także do oznaczania zawartości pierwiastków śladowych, związków organicznych i ilości szkodliwych substancji.

Metodę luminescencyjną można zastosować, jeśli jest wymagana do wykrycia obecności węglowodorów poliaromatycznych lub ich pochodnych. Aby obliczyć stężenie substancji, stosuje się zjawisko takie jak wygaszanie luminescencji.

Jednak nie wszystkie związki są określane tą metodą. Czasami zachodzi reakcja chemiczna, za pomocą której początkowy związek jest zmieniany, aby luminescencja mogła go wykryć.

Metody elektrochemiczne

Do ich realizacji stosuje się elektrody: anodę i katodę. Katoda jest często elektrodą kapiącą z rtęci o stale aktualizowanej powierzchni, co umożliwia uzyskanie polarogramów i przeprowadzenie skutecznej analizy. Ta metoda jest odpowiednia tylko do wykrywania jonów metali, substancji organicznych, związków karbonylowych, nadtlenków, epoksydów i innych. Z tego powodu nie można go uznać za uniwersalny, ale jest raczej selektywny.