3. Цели, параметры и участники глобального (международного) мониторинга ос
В настоящее время, когда влияние хозяйственной деятельности человека охватывает практически всю биосферу, возникла необходимость разработки природоохранных мероприятий не только локального и регионального, но и глобального характера. Решение этой задачи потребовало создания системы глобального мониторинга состояния и изменения природной среды. Общие принципы организации службы глобального мониторинга были рассмотрены еще на Стокгольмской конференций ООН по окружающей среде в 1972 году. В последующие годы вопросами глобального мониторинга занимались различные международные организации. Под эгидой Всемирной метеорологической организации (ВМО) началась фоновые наблюдения за состоянием загрязнения атмосферы и атмосферных осадков. В рамках Международной океанографической комиссии совместно о ВМО организованы работы по изучению загрязнения морской среды. Большая работа по научному обоснованию глобального мониторинга проведена в рамках программ ЮНЕСКО "Человек и биосфера". В 1986 г. была принята Международная геосферно-биосферная программа, нацеленная на познание причин и механизмов изменений природы и поиск путей научного прогнозирования этих процессов.
Глобальный мониторинг - это регулярное слежение за планетарными процессами и явлениями я биосфере с целью оценки и прогноза их изменений под влиянием антропогенных и естественных факторов. В качестве объектов слежения выступают геосферы Земли, которые рассматриваются в глобальном масштабе. Он необходим для решения планетарных проблем охраны окружающей среды, овладения приемами и механизмами управления региональными природно-антропогенными процессами и биосферой в целом. Наблюдения позволяют выявить масштабы и характер антропогенных изменений природных систем, определить негативные последствия хозяйственной деятельности в различных ландшафтных зонах и при разных способах общественного производства.
Основная задача глобального мониторинга - наблюдения и контроль за главными параметрами современной биосферы с целью достоверной фиксации их периодических и направленных изменений, экологической оценки ответных реакций природных систем на антропогенные воздействия, охватывающие крупные части биосферы. В их число должны входить наиболее важные геофизические, геохимические, биологические показатели - характеристики радиационного и теплового балансов, глобального влагооборота Земли; данные о состоянии озонового слоя, загрязнении географических сфер и по антропогенному преобразованию круговорота главнейших химических элементов; показатели структуры и биологической продуктивности наиболее репрезентативных наземных и океанических экосистем. Кроме того, в задачи мониторинга необходимо включить наблюдения над изменением глобальных уровней радиоактивности, связанной с использованием ядерной энергии.
По данным глобальных наблюдений рассчитываются фоновые показатели - усредненные параметры, характеризующие естественное состояние компонентов биосферы. Они используются как "точки" отсчета или исходные отметки при оценке направлений и степени антропогенных изменений окружающей природной среды.
Оценка антропогенных изменений природной среды осуществляется с помощью двух групп критериев - показателей загрязнения среды и структурно-функциональных характеристик биосферы. Первую группу критериев составляют загрязнители, оказывающие существенное негативное воздействие на природные системы: а) вещества, воздействующие на геофизические системы в атмосфере (углекислый газ, аэрозоли, вещества, влияющие на содержание озона и др.); б) мутагенные ингредиенты глобального значения - радионуклиды, пестициды, бенз(а)пирен и другие; в) вещества регионального распространения, способные переноситься на большие расстояния и вызывать суммарный эффект глобального масштаба (двуокиси серы и азота, нефть и нефтепродукты, тяжелые металлы и др.). Структурно-функциональные характеристики отражают изменения в составе природных систем и интенсивности протекающих в них естественных процессов (изменения видового состава, соотношения различных трофических групп, скорости деградации экосистем и др.). Особое значение имеют интегральные характеристики - величина первичной продукции биогеоценозов, соотношение фактической и потенциальной продуктивности для данных физико-географических условий, интенсивность биологического круговорота и другие. Их определение дает возможность установить нарушения взаимосвязей внутри природных комплексов, выявить тот предел антропогенного воздействия, при котором системы теряют свои средо- и ресурсовоспроизводящие функции.
Наземные наблюдения ведутся на специальных стационарах, которые подразделяются в зависимости от назначения на базовые (фоновые, в составе биосферных заповедников в условиях отсутствия антропогенного влияния) и региональные (в зонах подверженных хозяйственному влиянию, вблизи промышленных центров и городов). Программа наблюдений включает измерения содержания загрязняющих веществ: аэрозоли, озон, СО и СО2, углеводороды, бенз(а)пирен, хлорорганические соединения в атмосфере, свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, анионы и катионы, бенз(а)пирен, радионуклиды в атмосферных осадках снежном покрове, тяжелые металлы ДДТ и биогенные элементы в поверхностных и подземных водах и донных отложениях, почве и биоте. Также включаются наблюдения за изменением УФ-радиации, радиационного и теплового балансов, изучение изменений свойств почв и их эрозии и др.
Основная задача дистанционного зондирования биосферы состоит в получении пространственно-временной информации о состоянии и структурно-функциональных изменениях мега- и макроэкосистем, загрязнении больших участков атмосферы, акваторий водоемов, крупных массивов лесов и других объектов земной поверхности. Для получения этой информации используются различные методы: аэрофотосъемка, многозональная космическая съемка, спектро- и радиозондирование в видимой, ближней и средней инфракрасной и микроволновой областях спектра.
Дистанционное зондирование позволяет получить обширную информацию, необходимую для выявления картины глобальных изменений состояния биосферы. По данным космических наблюдений возможно дешифрирование таких неблагоприятных явлений, как массовое заболевание сельскохозяйственных растений и загрязнение лесов, ареалы распространения которых трудно установить с помощью наземных средств. Дистанционные методы дают возможность определить и с большой точностью картографировать необратимые последствия хозяйственной деятельности человека, сопровождающиеся нарушением структуры природных систем (опустынивание, вторичное засоление и заболачивание земель, сведение лесных массивов и др.).
Одним из важных аспектов глобального мониторинга является получение оперативной информации о состоянии тех объектов наблюдения, которые быстро изменяются во времени и пространстве (например, распространении лесных пожаров и наводнений, таянии снегового покрова, состоянии сельскохозяйственных посевов, пастбищ в других объектов). На основе наблюдений составляются оперативные и прогнозные карты состояния изучаемых объектов, которые являются одним из конечных результатов мониторинга. Для определения фоновых характеристик экосистем помимо проведения наземных наблюдения необходимо дистанционное зондирование территории биосферных заповедников, национальных парков и других природоохранных объектов. Особенность зондирования заключается в съемке обширных территорий (площадью 10000-30000 км и более) с одновременной фиксацией состояния как ненарушенных, так и измененных человеком природных систем.
В рамках международной программы под эгидой ЮНЕСКО "Человек и биосфера" развернута сеть биосферных резерватов; на территории России функционируют Приокско-Террасный, Сихоте-Алинский, Байкальский, Дальневосточный и другие заповедники, основная задача которых состоит в сохранении репрезентативных ландшафтов, обеспечении полигонов для проведения мониторинга и долгосрочных исследований природных систем в сравнении с антропогенно-измененными.
4. Автоматизированные системы контроля ОС (принципы организации, контролируемые параметры, алгоритмы функционирования) и иные виды мониторинга (дистанционный мониторинг)
Первые автоматические системы слежения за параметрами внешней среды были созданы в военных и космических программах в 50-х годах 20 в.
Существующая в нашей стране сеть наблюдений загрязнения атмосферного воздуха включает посты ручного отбора проб воздуха и автоматизированные системы наблюдений и контроля окружающей среды (АНКОС). Системы АНКОС являются стационарными, они оснащены устройствами непрерывного отбора и анализа проб воздуха и передачи информации по каналам связи в центр управления и регулирования состоянием атмосферного воздуха в заданном режиме. Стационарные автоматические станции контроля загрязнения атмосферного воздуха устанавливаются в жилых зонах населенных пунктов, санитарно-защитных зонах промышленных предприятий и обеспечивают непрерывное измерение, регистрацию, обработку и передачу по телефонному каналу данных в центр сбора и обработки информации
Автоматизированная система наблюдений и контроля окружающей среды (АНКОС-АГ) предназначена для автоматизированного сбора, обработки и передачи информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха. Система позволяет непрерывно получать информацию о концентрации примесей и метеорологических параметрах в населенных пунктах или около крупных промышленных предприятий. Ее технические возможности позволяют регистрировать, передавать, хранить и обрабатывать данные о загрязнении атмосферного воздуха.
В состав разработанной отечественной промышленностью АНКОС-АГ входят следующие технические средства:
павильон, конструктивно представляющий собой металлический каркас прямоугольной формы размером 2300x4700x7600 мм;
мачтовое устройство с комплектом метеодатчиков, установленных на крыше павильона, для измерения скорости и направления ветра, температуры, влажности;
устройства отопления, вентиляции, освещения, кондиционирования и пожаротушения;
газоанализаторы оксида углерода, диоксида серы, оксида, диоксида и суммы оксидов азота, озона, суммы углеводородов без метана;
устройство сбора и обработки информации на базе микроЭВМ.
Обмен информацией между системой АНКОС и Центром обработки информации осуществляется по коммутируемым телефонным каналам общего пользования при помощи аппаратов передачи данных (АПД) и мультиплексора передачи данных (МПД). АПД, устанавливаемые на станциях АНКОС, совместно с АПД и МПД Центра обработки информации образуют автоматическую централизованную подсистему сбора информации от систем АНКОС, размещенных по городу или региону. Состав технических средств центра обработки информации:
специализированный вычислительный комплекс на базе ЭВМ; мультиплексор передачи данных на базе микро ЭВМ; пульт диспетчера; мнемосхема; вспомогательное и сервисное оборудование; программное обеспечение (пакета программ первичной и вторичной обработки данных измерений, банки данных, диспетчерские программы и др.).
Системы АНКОС-АГ и Центра обеспечивают:
систематическое измерение заданных параметров атмосферного воздуха;
автоматический сбор информации со станций АНКОС;
сбор информации от неавтоматизированных звеньев наблюдений (например, от стационарных и передвижных постов);
оперативную оценку ситуации по известным значениям ПДК;
краткосрочный прогноз уровней загрязнения контролируемых примесей;
обработку и выдачу информации.
Средства математического обеспечения включают следующие основные алгоритмы обработки данных:
алгоритм первичной обработки (проверка достоверности служебной информации о загрязнении, приведение информации к виду, удобному для обработки и др.);
алгоритм статистической обработки (определение числовых, вероятностных характеристик параметров загрязнения, метеорологических параметров и др.);
алгоритм экспресс-информации о состоянии загрязнения во всех районах города в заданный момент времени;
алгоритм краткосрочного и долгосрочного прогнозирования загрязнения воздуха;
алгоритм управления, определяющий временной режим работы системы, последовательность этапов функционирования, контроль работоспособности системы, приоритет программ обработки данных и др.
Время усреднения данных о концентрациях примесей составляет не менее 20 - 30 мин, что соответствует времени отбора проб в поглотительные приборы. Частота выдачи информации автоматизированной системы может составлять от нескольких минут до нескольких часов.
Средства контроля можно подразделить на:
- контактные методы (хроматография, полярография, кондуктометрия, кулонометрия, потенциометрия, ионометрия, колориметрия, рефрактометрия, люминесцентное измере-ние, терматография и др.);
- неконтактные (исп. зондирующих полей).
Аэрокосмический мониторинг основан на бесконтактной регистрации (дистанционной индикации) электромагнитных волн отраженного солнечного света и собственного излучения поверхности Земли с самолетов, вертолетов и различных космических аппаратов. Преимущество дистанционной индикации (прежде всего из космоса) перед другими методами заключается в возможности достаточно частой повторности (и даже непрерывности) наблюдений во времени, получении на одном изображении обширных и отдаленных территорий, возможности пространственно-временного анализа одновременно нескольких компонентов природы в их взаимосвязи. Особенно велика роль космических методов при глобальных исследованиях. Только съемки из космоса могут обеспечить непрерывное слежение за антропогенными нарушениями природы в масштабе всей биосферы в целом.
Аэрокосмический мониторинг позволяет выявить очаги и характер нарушений природных объектов с минимальной инерцией во времени; установить и картографировать степень, скорость и пространственные масштабы нарушения (в том числе загрязнения) или преобразования природной среды; проанализировать и оценить современное состояние природных компонентов и комплексов и составить прогноз последствии хозяйственной деятельности человека.
Для получения динамической информации о состоянии природной среды необходимо сопоставление повторных аэрокосмических изображений одной и той же территории через определенные промежутки времени.
При аэрокосмическом мониторинге используются различные методы съемки: фотографические одно- и многозональные, телевизионные в видимой и инфракрасной областях спектра, спектрометрическая индикация, инфракрасная, микроволновая и радарная индикация.
Последовательность дешифрирования космофотоматериалов включает этапы дешифрирования: привязка, обнаружение объекта, опознавание, интерпретация (объяснение), экстраполяция (обобщение, перенесение сравнительного анализа для изучения аналогичных условий, которые необходимы для геомониторинга).
Критерии выделения объектов: прямые дешифровочные признаки изображений (тон, цвет, структура рисунка фотоизображения); фотофизиономичные компоненты ландшафтов (хвойные леса - более темные отражения на снимках, лиственные леса - серые, остепненные участки - светло-серые); признаки и установленные по ним объекты наблюдения - города, поселения, лесные массивы, реки, озера.
Эффективность использования данных, полученных в результате аэрокосмических и наземных наблюдений, существенно возрастает, если они представлены в пространстве, т.е. положены на карту. Иначе говоря, в системе мониторинга важное место отводится картографической подсистеме или картографическому мониторингу - контролю, оценке и прогнозу состояния окружающей среды с помощью построения и анализа карт различного содержания.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
Выполнение круглосуточных автоматических измерений метеорологических параметров атмосферы в заданной точке местности и передача результатов измерений для обработки.
Функции:
автоматическое измерение метеорологических параметров;
управление измерительным процессом на основе встроенного управляющего компьютера;
хранение в памяти управляющего компьютера результатов измерений за последние 30 суток (в течение неограниченного времени при отключении внешного электропитания);
автоматическая передача результатов измерений по телефонным и радиоканалам;
дистанционный контроль технического состояния оборудования;
дистанционное управление режимами работы станции.
Станция включает измерители метеопараметров: скорости и направления ветра, температуры и влажности воздуха, давления, радиационного гамма-фона, общей солнечной активности, уровней осадков и др.