Метрологическое обеспечение экологического мониторинга

Основной базой глобального и национального мониторинга является космическая техника. Известно, что искусственные спутники Земли позволяют вести успешные наблюдения за состоянием биосферы Земли и получать информацию, которую практически невозможно получить в результате наземных наблюдений.

Задачами глобального и национального мониторинга могут быть, например, слежение за динамикой популяции вредных организмов, в частности насекомых, на больших площадях, учет движения охраняемых видов растений и животных, возможности нанесения ущерба лесам, полям, водоемам.

Для проведения мониторинга любого уровня используются современные методы анализа и контроля окружающей среды. Применение разнопрофильных спектральных и химических методов анализа с широким привлечением вычислительной техники позволяет получать достоверную информацию об экологической обстановке. Наряду с современными техническими методами анализа и контроля используются и естественные природные явления. Например, саморегуляция экологических систем позволяет вовремя сигнализировать о грозящей опасности, что можно использовать при проведении регионального или локального мониторинга методом биологической индикации, основанным на реакции живых организмов, чувствительных к конкретным химическим примесям.

Примером использования биотестирования с помощью растений является Голландия, где такие полезные для человека растения, как гладиолусы, тюльпаны (тесгобъекты на накопление фторидов), итальянская ржаная трава (тестобъект на накопление ионов тяжелых металлов), используются для анализа загрязнений на больших площадях страны. Методы биотестирования водоемов в искусственных условиях с помощью живых организмов, таких как дафния (рачки), пиявки (черви), инфузории (простейшие) находят в настоящее время широкое применение во многих странах.

Определенное распространение в настоящее время получил метод лихеноиндикации (от лат. Lichenes — лишайники), основанный на учете количества лишайников в городских насаждениях, районах крупных предприятий. Установлена однозначная обратно пропорциональная связь между наличием лишайников на стволах деревьев и «полями загрязнения» воздуха. Факт отмирания деревьев при отсутствии жуков короедов также служит биологическим индикатором загрязнения воздуха или почвы веществами промышленного происхождения.

Для получения информации об изменениях, происходящих на биосферном уровне, в системах национального мониторинга России действуют восемь «фоновых станций».

В экологическом мониторинге информативность биологических электромагнитных излучений (ЭМИ) разных спектральных диапазонов иногда имеет преобладающее значение перед другими контрольными параметрами.

Рассмотрим частный случай ЭМ-индикации стихийных бедствий. При определенных условиях неравновесное состояние может наблюдаться в объектах как живой, так и неживой природы, например очаг подготовки землетрясения на определенном этапе представляет собой самоорганизующуюся неравновесную систему трещин. Процессы подготовки и развития землетрясений протекают в основном за счет внутренней энергии Земли. В период землетрясения освобождающаяся свободная энергия Земли проявляется в других ее формах и «жизнь» неорганической природы протекает как бы по общим законам неравновесных систем, с той существенной разницей, что для живых систем состояние неравновесия устойчиво, а для неживой природы ограничено коротким периодом, после которого вновь наступает состояние динамического равновесия.

В период «созревания» землетрясения реакции живых систем могут быть непосредственно связаны с изменением физико-химических условий окружающей среды.

В характере реакций большинства биопредвестников на изменение внешней среды, связанных с предстоящим землетрясением, важную роль играет нервная клетка. Например, у 100 голубей был отсоединен от центральной нервной системы нерв в лапке. Перед самым землетрясением здоровые голуби проявили беспокойство и взлетели, а птицы с изолированными нервами взлетели только после дополнительного специального выстрела.

Механизм аномального поведения биопредвестников землетрясений в настоящее время не раскрыт и имеет, по-видимому, не только ЭМ-природу. Пока биопредвестники могут являться лишь дополнительным фактором, который следует учитывать в решении актуальной комплексной проблемы прогноза землетрясений, являющейся частным случаем мониторинга биосферы.

В настоящее время широко развита и постоянно модернизируется наиболее информативная система ЭМ-мониторинга Земли атмосферы и гидросферы методом дистанционного зондирования (ДЗ). Для глобального обзора земной поверхности используются спутники, выведенные на квазиполярные круговые орбиты с высотой 700—1000 км. Особенностью таких спутников является то, что они проходят над заданной точкой земной поверхности всегда в одно и то же местное время. Установленная на спутнике аппаратура позволяет проводить поэлементный просмотр поверхности Земли в пределах поля зрения сканирующего прибора. Диапазон зондирования современной аппаратуры может перекрывать спектр от ультрафиолетовой (УФ) области до радиоволн. Опыт дистанционного зондирования многозональными системами позволил выявить потенциальную информативность практически любого участка ЭМ-спектра для решения большинства экологических задач.

Измерения естественной УФ-радиации были начаты в связи с необходимостью изучения ее влияния на биообъекты. Дополнительный интерес к исследованию условий распространения УФ-лучей в приземном слое возник с началом разработок систем лазерной связи в УФ-диапазоне. Отдельной областью исследования является определение содержания озона в атмосфере по измерениям прямой солнечной радиации в УФ-области.

Проведенные эксперименты по отработке методики дистанционного зондирования трозональными телевизионными системами с оптико-механической разверткой показали, что при общем понижении контраста, увеличении зашумленности УФ-изображений в канале 380—400 нм выделяются геологические образования, невидимые в других диапазонах.

Границы акватории и суши не всегда выражены четко, зато всегда присутствуют ряд компонентов ландшафта, зоны засоленности и повышенной влажности.

Важным направлением использования УФ-диапазона (300—400 нм) являются наблюдения загрязнений атмосферы и водного бассейна. Измерение отраженного и рассеянного солнечного излучения УФ-диапазона позволяет по спектральным особенностям уходящего коротковолнового излучения, обусловленного полосами поглощения ряда загрязняющих компонент, судить об их присутствии.

Одной из основных задач контроля за загрязнением акваторий является локализация нефтяных пленок. Оптические свойства чистой воды существенно отличаются от свойств вод, загрязненных нефтепродуктами. Для чистой воды в океане длина волны максимально рассеиваемого света составляет 470 нм. Легкие фракции, присутствующие в нефтяных пленках на поверхности воды, поглощают свет в области 300 нм и могут при определенных условиях флюоресцировать в диапазоне 360—460 нм, при этом дополнительную информацию может дать использование эффекта поляризации.

Рассмотрим локационный принцип подхода к принципиально новому решению задачи мониторинга окружающей среды, в основном атмосферы, используя оптический диапазон ЭМИ. Оптический локатор называется лидаром. В нем в качестве источника ЭМИ используется когерентный источник излучения, а именно импульсный лазер с перестраиваемыми частотами. Излучения оптического диапазона активно взаимодействуют с атомами и молекулами атмосферы, и поэтому отраженный сигнал может содержать значительную информацию о состоянии зондируемого участка атмосферы.

Большая мощность лазерного импульса позволяет проникать в атмосферу вплоть до озонового слоя, например импульс при длительности 10—30 с не способен дать отраженный сигнал с расстояния 30—50 км, причем пространственное перемещение лазерного луча позволяет осуществлять непрерывный мониторинг больших объемов атмосферы. Обработка полученной информации осуществляется с помощью ЭВМ.

Лидарный контроль в основном учитывает три физических процесса, являющихся результатом зондирования атмосферы:

• • вынужденное комбинационное рассеяние;
• • резонансное поглощение;
• • резонансное рассеяние.

Сущность вынужденного комбинационного рассеяния заключается в следующем: при взаимодействии лазерного луча с загрязненной атмосферой в спектре отраженного сигнала появляется ряд частотных линий комбинационного рассеяния. Эти линии смещены относительно частоты излучения лазера на определенные величины, обусловленные вынужденными переходами молекул при воздействии излучения лазера. По величине смещения спектральных линий можно судить о наличии в атмосфере конкретных загрязняющих веществ. Спектры комбинационного рассеяния устраняют неоднозначность расшифровки полученной лидаром информации и дают возможность обнаружить на фиксированной длине волны большую гамму веществ, загрязняющих атмосферу. Основным достоинством метода комбинационного рассеяния является возможность совмещения излучателя и приемника в одном устройстве. Оптимальные длины волн, обеспечивающие наибольшую эффективность лидара, работающего по принципу комбинационного рассеяния, лежат в 250—400 нм.

Сущность резонансного поглощения заключается в том, что главные компоненты атмосферы селективно поглощают ЭМИ лазера, в этом случае излучение совпадает с областями собственного поглощения электронов (УФ, или видимый диапазон) или молекул и атомов (инфракрасный (ИК) диапазон) конкретного загрязнителя. Поглощенная энергия спустя некоторое время спонтанно переизл у чается, причем частота переизлученного сигнала зависит от частоты поглощенного излучения.

Сущность резонансного рассеяния совпадает с явлением комбинационного рассеяния, с той лишь разницей, что интенсивность резонансного рассеяния на несколько порядков превышает интенсивность комбинационного рассеяния, что обусловлено природой рассеивателя. Метод резонансного рассеяния находит применение при оценке загрязняющих атмосферу паров металлов — ртути, кадмия, цинка, натрия, мышьяка.

Выбор длины волны зондирующего лазера играет большую роль для всех рассмотренных выше методов исследования биосферы. Обычно в лидарах используются лазеры с перестраиваемыми частотами генерации, позволяющие перекрыть диапазон волн 360—1000 нм (например, лазеры с блоком удвоения, часто на красителях).