1. Уровни, виды мониторинга окружающей среды

Антропогенное влияние на биосферу распределено неравномерно. В одних географических зонах оно почти отсутствует (центральная часть Антарктиды, южная часть Южного океана, заповедники на разных континентах), в других — вызывает ощутимые изменения первичных экосистем, рельефа, даже особенностей местности (районы интенсивного развития промышленности, открытых разработок ископаемых, интенсивного ведения сельского хозяйства, урбанизированные территории). В результате антропогенного действия природные среды таких районов загрязнены несвойственными для них элементами (химическими веществами, их соединениями). Такое положение предопределяет осуществление определенных видов мониторинга на разных уровнях.

Принципы классификации систем мониторинга

Для изучения природных процессов, которые происходят в экосистемах и биосфере, используют методы наблюдений и исследований разных областей знаний (геологии, гидрогеологии, метеорологии, химии, биологии, физики, экологии, почвоведения).

В зависимости от цели осуществляют мониторинг компонентов биосферы (атмосферы, гидросферы, литосферы), биологический, экологический мониторинги, мониторинг факторов влияния, источников загрязнения и другие его виды на разных территориальных уровнях. Учитывая предмет наблюдений, выделяют абиотический, геофизический, физический, химический, санитарно-токсический виды мониторинга. Этим далеко не исчерпывается классификация систем мониторинга, поскольку в научных исследованиях и практической деятельности руководствуются разнообразными подходами и принципами (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Классификация систем мониторинга

Принципы классификации	Имеющиеся или разрабатываемые системы (подсистемы) мониторинга
Универсальные системы (территориально- пространственно организованные)	Глобальный мониторинг (базовый, региональный, импактный уровни), в т.ч. фоновый и палеомониторинг, государственный, межгосударственный, международный мониторинги (мониторинг трансграничного переноса загрязняющих веществ)
Реакция основных составляющих биосферы	Геофизический, биологический (в т.ч. генетический), экологический, медико-биологический, климатический, биоэкологический, геоэкологический, биосферный мониторинги
Степень антропогенного нарушения среды	Мониторинг антропогенных изменений в атмосфере, гидросфере, почве, криосфере, биоте. Мониторинг источников загрязнения, ингредиентный мониторинг (отдельных загрязняющих веществ, радиоактивных излучений)
Пространственно- временной подход	Дистанционный, авиационный, космический, исторический мониторинги

Разные виды мониторинга можно проводить на определенных территориальных уровнях: локальном, региональном, глобальном (табл. 2.2), которые отличаются площадью охватывания, сетью, программами наблюдений, объектами и предметами исследования.

Объектами наблюдения могут быть:

- отдельные места и зоны, размеры которых не превышают десятки километров (локальный мониторинг);

- локальные источники повышенной опасности: территории вблизи мест захоронения радиоактивных отходов, зоны влияния АЭС, химические заводы (импактный мониторинг);

Таблица 2.2

Уровни мониторинга

Параметр	Локальный	Региональный	Глобальный
Площадь, охваченная системой мониторинга, км2	101 – 102	103 – 106	До 107 – 108
Расстояние между пунктами отбора проб, км	0,01 – 10	10 – 500	До 3000 – 5000
Периодичность исследуемых процессов	Дни – месяцы	Годы	Десятилетия – века
Частота наблюдений	Минуты – часы	Декада – месяц	2 – 6 раз в год
Количество компонентов, которые наблюдаются	3 – 30	120 – 1500	103 – 106
Точность	Части ПДК	До 30%	Десятые части, %
Оперативность выдачи информации	В реальном масштабе времени	Через 1 – 3 месяца с начала отбора проб	Годы со дня отбора проб

- территории площадью до тысяч квадратных километров (региональный мониторинг);

- общемировые процессы и явления в биосфере и в экосфере Земли (глобальный мониторинг).

Система мониторинга на глобальном уровне, как правило, избирательно охватывает подсистемы регионального и локального мониторингов.

По критерию выбора предмета наблюдения наибольшую практическую ценность имеют экологический, фоновый, глобальный, климатический виды мониторинга.

Экологический мониторинг и его задачи

Задача экологического мониторинга заключается в выявлении в экосистемах изменений антропогенного характера. Для его осуществления необходимы методы, которые основываются как на отдельных измерениях параметров загрязнения биоты, реакции на действие антропогенных факторов, так и на непрерывном определении интегральных показателей на больших территориях.

Экологический (греч. oikos — жилище и logos — слово) мониторинг (англ. monitoring, лат. monitor — тот, который наблюдает) — комплексная подсистема мониторинга биосферы, которая охватывает наблюдение, оценку и прогнозирование антропогенных изменений (биологических, геофизических) состояния биосферы в целом и экосистем, вызванных действием загрязнителей, сельскохозяйственным использованием земель, вырубкой лесов, урбанизацией, а также оценку экологического равновесия в экосистемах.

Экологический мониторинг предусматривает обязательность наблюдений на таких уровнях:

1) импактный уровень — наблюдения за территориями, которые поддаются антропогенному влиянию, предопределяющее опасные или критические последствия;

2) региональный уровень — наблюдение за процессами и явлениями в пределах определенного региона;

3) фоновый (базовый) уровень — глобальные, региональные наблюдения по состоянию экосистем и прогнозирования в них изменений, которые происходят без прямого влияния антропогенных факторов.

Для создания системы экологического мониторинга окружающей среды необходимы:

— районирование территории (распределение всей территории, на которой будет осуществляться экологический мониторинг на таксон — группы родственных за определенными признаками объектов разных размеров и экологической значимости: ландшафтные районы в пределах области, административных районов, водосборные бассейны, городские агломерации, агропромышленные комплексы);

— создание сети объектов наблюдения (размещение на подконтрольной территории мест (объектов) наблюдения состояния компонентов природной среды (атмосферного воздуха и осадков, поверхностных, грунтовых, подземных вод, почвы и растительности);

— определение методов и показателей, которые необходимо контролировать.

Экологический мониторинг окружающей среды в пределах территории страны, регионов, областей, районов, городов осуществляют с соблюдением требований в соответствии с масштабами проведения работ и картографирования их результатов. Базовыми являются такие масштабы проведения экологических исследований:

а) на государственном уровне — 1:1 000 000 и 1:500 000;

б) на региональном уровне — 1:500 000 и 1:200 000;

в) на областном уровне — 1:200 000 и 1:100 000;

г) на районном уровне — 1:50 000 и 1:25 000;

д) на уровне полигона — 1:10 000 и 1:5000;

е) на уровне объекта — 1:2000 и 1:500.

Использование любого масштаба экологических исследований и картографирования окружающей среды основывается на единственном принципе: 1 см² разграфирования международной карты должен отвечать по меньшей мере одному объекту наблюдений, от которого инструментальными или расчетными методами можно получить необходимую экоинформацию и использовать ее на разных уровнях обобщения или детализации. В соответствии с масштабами экологических исследований создают единственную сеть репрезентативных пунктов (объектов) наблюдения окружающей среды в пределах страны, которая может предоставить полную информацию об экологическом состоянии объектов мониторинга, участков ландшафтов в пределах административных, ландшафтных районов, границ административных областей, природных регионов, территории государства в целом.

Для осуществления экологического мониторинга необходимо сосредоточиться на самых характерных видах и признаках экосистемы, выучить реакции элементов биосферы на антропогенное влияние с помощью натурных и лабораторных экспериментов, математического моделирования, анализа результатов полевых наблюдений, которые дают возможность обнаружить основные тенденции изменения экосистемы, найти зависимости между действием разных факторов и биологическими реакциями.

Полевые наблюдения проводят в природных условиях. Их широко используют для оценки состояния почвы (агрохимические, агрофизические, биохимические исследования), растительных групп (фенологические наблюдения, ботанические, физиологичные исследования), климатических условий, загрязнения окружающей среды. Однако с помощью таких наблюдений не всегда можно выяснить лимитирующие факторы среды, которые являются определяющими для стойкого функционирования экосистемы, природного района, побуждающего к использованию экспериментальных методов.

Экспериментальные исследования проводят в полевых или лабораторных условиях с целью изучения и анализа влияния разных антропогенных факторов на сложные биологические системы. Используя их результаты, моделируют возможные изменения среды, обнаруживают факторы, которые их вызывают.

Математическое моделирование дает возможность установить зависимости между действием факторов и реакцией биоты в сложных экосистемах, исследовать чувствительность экосистемы к конкретному фактору, спрогнозировать будущее состояние экосистемы и обосновать оптимальное количество параметров и показателей, по которым необходимо проводить наблюдение.

Не менее сложной проблемой при налаживании экологического мониторинга является выбор из большого количества биологических видов наиболее репрезентативных и достаточно чувствительных. Ими могут быть растения, животные, микроорганизмы, грибы (биоиндикаторы), жизненные функции которых взаимосвязаны с определенными факторами среды.

Биоиндикаторы (греч. bios —жизнь и лат. indico — показываю) — группа особей одного вида или группы, наличие, количество или интенсивность развития которых в исследуемой среде является показателем определенных природных процессов, условий или антропогенных изменений внешней среды.

С помощью биоиндикаторов осуществляют биомониторинг — наблюдение за состоянием биотической составляющей биосферы и ее реакцией на антропогенные действия.

Значительное количество организмов чувствительно к определенным факторам среды (химического состава атмосферы, почвы, вод, климатических и погодных условий, присутствия других организмов) и не может существовать при их изменениях. Например, лишайники являются биоиндикаторами чистого воздуха; по комплексу грунтовых микроорганизмов определяют тип почвы и ее изменения и тому подобное. Они дают много информации для определения отклонения состояния биоты от нормального на разных уровнях (молекулярном клеточном, на уровне организмов, популяций, групп).

Используя биоиндикаторы, осуществляют биотестирование — оценка уровня загрязнения окружающей среды. Наиболее используемыми методами является фитологическое картографирование (оценка степени проектного покрытия, то есть горизонтальной проекции наземных растений на почву в сравнении с эталоном (состоянием заповедной территории)); анализ изменений в составе и численности растительных, животных групп; анализ явных повреждений организмов.

Состояние биологической системы при осуществлении экологического мониторинга оценивают, сравнивая исследуемый биогеоценоз (совокупность растительности, животного мира, микроорганизмов определенной части земной поверхности) с эталонными образцами (природно-заповедные территории). При этом принимают во внимание:

— типичный для экологической системы видовой состав живых организмов (определяют доминантные виды, образующие внешний вид экосистемы, и субдоминантные виды, которых в экосистеме меньше, характеризующие отдельную местность);

— объем первичной биологической продукции (сформированной в результате фотосинтеза биомассы растений) и вторичной (биомассы, аккумулированной гетеротрофными организмами, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продукты их жизнедеятельности), которую продуцирует экологическая система при оптимальных условиях;

— стабильность структуры и разновидностей отдельных трофических уровней, то есть определенной совокупности организмов с разными типами питания;

— скорость обмена веществ и энергии в экосистеме, от чего зависит возможность ее биологической самоочистки;

— режим абиотических условий и ресурсов, характеризующие возможность существования определенных видов, популяций.

При оценке биологической системы различают функциональные (рост, длительность вегетации, состояние) и структурные (колебание общей численности, плотности, изменения в возрастном и половом состояниях популяции, генетические изменения) показатели биоты. Благодаря непрерывным ежегодным наблюдениям за биологической системой удается проследить изменения растительных, животных групп, их зависимость от погодных условий, обнаружить тенденции, которые характеризуют трансформации видового состава и грунтово-растительного покрова.

Следовательно, экологический мониторинг окружающей среды предусматривает постоянные, систематические физические, химические и биологические наблюдения и измерения определенных составляющих природных и антропогенно измененных экологических систем.

Фоновый мониторинг, его роль в оценке и прогнозировании глобального состояния биосферы

Исследование экологических изменений и организация экологического мониторинга на фоновом уровне предусматривает наблюдение в удаленных от локальных источников загрязнения зонах, то есть фоновые наблюдения, сущность которых заключается в отслеживании изменений состояния атмосферы, почвы, природных вод, структуры земной поверхности на территориях, на которые непосредственно не действуют антропогенные факторы.

Фоновый мониторинг — многолетние комплексные наблюдения за определенными объектами природоохранных зон для оценки и прогнозирования изменений состояния экосистем, удаленных от объектов промышленной и хозяйственной деятельности.

Основный задачей фонового мониторинга является выяснение и фиксация показателей, которые характеризуют природный фон (состояние природной среды, которое не испытало прямого влияния человеческой деятельности), а также глобальные и региональные изменения в процессе развития биосферы. Его организуют в биосферных заповедниках, где изучают, контролируют и прогнозируют антропогенные изменения биосферы, абиотических факторов среды, а также внутренние процессы и явления, которые происходят в экосистемах.

Фоновое глобальное состояние биосферы изучают на фоновых станциях, которые формируются из стационарного наблюдательного полигона (участки для отбора проб, гидропосты, наблюдательные скважины) и химической лаборатории, размещенных на территориях биосферных заповедников, где запрещена любая хозяйственная деятельность.

Биосферный заповедник — территория международного значения, выделенная с целью сохранения разнообразия природно-территориальных комплексов и генетических ресурсов растительного и животного мира, проведения научных исследований, фонового мониторинга и изучения состояния окружающей среды.

В настоящее время в 76 странах мира функционирует до 300 биосферных заповедников. Площадь каждого из них составляет от 300 до 2 мнл. га. В Украине биосферными заповедниками, где проводят фоновые наблюдения, являются Аскания-Нова (33 307,6 гектаров). Черноморский биосферный заповедник (100 809 гектаров), Карпатский биосферный заповедник (57 880 гектаров), Дунайский биосферный заповедник (46 402,9 гектаров).

Качественное и количественное фоновое состояние природной среды в далеком прошлом, к началу влияния человека, можно исследовать по данным исторического мониторинга — анализа колец погибших или древних деревьев, проб ледников, донных отложений и тому подобное.

Программа фонового экологического мониторинга на основе биосферных заповедников охватывает такие направления:

— мониторинг загрязнения природной среды и других факторов антропогенного влияния;

— мониторинг реакции биоты на антропогенное влияние, прежде всего на фоновые уровни загрязнения;

— наблюдение за изменением функциональных и структурных характеристик эталонных (девственных) природных экосистем и их антропогенных модификаций.

Программа фонового мониторинга формируется из абиотической и биотической составляющих.

К абиотической составляющей фонового мониторинга относятся наблюдения по климатическим, эдафическим (грунтовым), гидрологическим, орографическим (рельефным), геологическим условиям и явлениям окружающей среды, которые влияют на организмы экосистемы. При этом определяют гидрометеорологические величины, концентрации химических веществ природного и антропогенного происхождения в определенных средах. Гидрометеорологические и геофизические характеристики окружающей природной среды должны содержать данные о скорости и направлении ветра, атмосферном давлении и температуре воздуха, влажности и количестве осадков, интенсивности солнечной радиации, в т.ч. ультрафиолетового излучения, затраты, уровень и температуру воды, влажность, тепловой баланс почвы. Наблюдения за абиотической частью должны обеспечить информацией о концентрации химических веществ, их соединений в окружающей среде, о миграционных процессах, накоплениях, трансформации и круговороте этих веществ. Определяя необходимость охватывания определенных веществ программой измерений в биосферных заповедниках, пользуются такими критериями:

1) распространение веществ, их стойкость и мобильность в окружающей среде;

2) способность веществ к влиянию на биологические и геофизические системы.

Некоторые загрязняющие вещества, попав в природную среду, могут изменить геохимическое равновесие, легко мигрировать пищевыми цепочками, накапливаться в биоте и образовывать сложные токсичные соединения. По данным исследований, чаще всего вызывают нарушение геохимического равновесия ртуть, кадмий и свинец. При оценке изменений природного круговорота веществ, вызванных антропогенной деятельностью, используют такие показатели:

1) коэффициент технофильности — отношение ежегодной добычи определенного химического элемента к его общему содержанию в литосфере;

2) коэффициент геохимического равновесия — отношение суммарных выбросов любого вещества в окружающую природную среду к его общему содержанию в литосфере.

Учитывая эти коэффициенты, для каждого вещества устанавливают перечень сред, которые необходимо изучать на фоновых станциях в биосферных заповедниках (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Химические вещества, которые подлежат изучению на фоновых станциях в биосферных заповедниках

Название химических веществ, которые подлежат изучению	Среда
	атмосфера	атмосферные осадки	поверхностные и подземные воды	почва	биота
1. Зависшие вещества	+
2. Диоксид серы	+
3. Озон	+
4. Оксид углерода	+
5. Оксиды азота	+
6. Углеводы	+
7. Бенз(а)пирен	+	+	+	+	+
8. Хлорорганические соединения (ДДТ, др.)	+	+	+	+	+
9. Тяжелые металлы (свинец, ртуть, кадмий, мышьяк)	+	+	+	+	+
10. Диоксид углерода	+
11. Фреоны	+
12. Биогенные элементы (К, Р)		+	+	+	+
13. Анионы и катионы		+
14. Радионуклиды		+

В биосферных заповедниках наблюдают, оценивают и прогнозируют загрязненность атмосферного воздуха по содержанию в нем тяжелых металлов (свинца, кадмия, мышьяка, ртути), загрязняющих веществ, которые вызывают глобальные изменения в атмосфере (диоксида серы, озона, оксида углерода, оксидов азота, углеводородов, бенз(а)пирена, хлорорганических соединений (ДДТ и др.), фреонов). На основе наблюдений за фоновыми уровнями загрязнения атмосферного воздуха этими веществами разрабатывают модели их переноса атмосферными фронтами с учетом гидрометеорологических и техногенных факторов.

Одной из предпосылок анализа и прогнозирования состояния загрязнения поверхностных и подземных вод, почвы и биотической составляющей экологической системы является наблюдением за токсичными и опасными для экологической системы загрязняющими веществами: бенз(а)пиреном, хлорорганическими соединениями (ДДТ и др.), фреонами, биогенными элементами, тяжелыми металлами (свинцом, кадмием, мышьяком, ртутью).

Биотическая составляющая фонового мониторинга охватывает оценку состояния биоты (определение коэффициента размножения, продолжительности жизни), прогнозирования ее реакций на незначительную смену природной среды (установление зависимости биоты от антропогенного загрязнения в системе «доза — реакция»).

Станцию комплексного фонового мониторинга формируют стационарный участок наблюдений и химическая лаборатория. Участок (полигон) наблюдения состоит из площадки для отбора проб, гидропостов, наблюдательных скважин. На ней отбирают пробы атмосферного воздуха, атмосферных осадков, воды, почв, растительности, проводят гидрометрические и геофизические измерения. Важным элементом полигона является базовый участок фоновой станции — площадка размером 50 х 50 м, где размещают оборудование для отбора проб, измерительные приборы для определения химического состава и физических характеристик воздуха. Располагают ее на открытом, ровном участке, удаленном от зданий, лесополос, холмов. Химическую лабораторию возводят не ближе 500 м от базового участка. В лаборатории обрабатывают и анализируют отобранные пробы. На фоновых станциях определяют и исследуют критерии экологического мониторинга, уточняют методы контроля, оценки и прогнозирования состояния объектов наблюдения.

Международные фоновые мониторинговые станции принадлежат к глобальной системе мониторинга окружающей среды.

Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС)

В середине XX в. в биосфере происходили локальные и региональные экологические кризисы. Вредное влияние человека на биосферу достигло глобальных масштабов и проявилось в тотальном загрязнении природных сред, интенсивном использовании ресурсов природы, изменении геохимических круговоротов элементов и потоков энергии в экологических системах, повлекшее развитие глобального экологического кризиса. В промышленно развитых странах разрушались экологические системы и истощались природные ресурсы. В целом на планете было потеряно 20 % видов живых существ. Большие реки Европы (Рейн, Одер) превратились в сточные канавы, в которых из-за непригодного для жизнедеятельности качества воды полностью исчезла биота, в критическом состоянии очутились Дунай и Сена. Активно распространялась деградация почв (водная эрозия охватила 56% площади земель суходола), химическое и физическое повреждение земель, опустынивание территории (общая площадь пустынь и полупустынь 48,4 млн. км², ежегодно она увеличивается на 6 млн. гектара), сокращение площадей тропических дождевых лесов и тайги (приводит к уменьшению количества кислорода, исчезновения некоторых видов растений и животных), загрязнение атмосферы (следствием этого является развитие парникового эффекта, образование озоновой дыры, кислотных дождей, смогов). Спрогнозировать возможные изменения биосферы с высокой точностью в то время было невозможно, поскольку наблюдение за состоянием окружающей среды государства осуществляли лишь на региональных уровнях по разным программам. Поэтому в 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде было предложено создать Службы Земли, призванные осуществлять глобальный мониторинг окружающей среды, оценку, исследования и обмен информацией, своевременно предупреждать о природных катастрофах и антропогенных изменениях состояния окружающей среды, способных привести к прямым и непрямым убыткам здоровью человека.

Глобальный (франц. global — всемирный, общий) мониторинг — система наблюдений по планетарным процессам и явлениям, которые происходят в биосфере, с целью оценки и прогнозирования глобальных проблем охраны окружающей природной среды.

По результатам работы Межгосударственного совещания по проблемам мониторинга, состоявшегося в Найроби (февраль 1974 г.), были сформулированы такие основные задачи глобального мониторинга:

1. Организация расширенной системы предупреждения угрозы здоровью человека.

2. Оценка глобального загрязнения атмосферы и его влияния на климат.

3. Оценка количества и распределение загрязнения биологических систем, особенно пищевых цепей.

4. Оценка критических проблем, которые возникают в результате сельскохозяйственной деятельности и землепользования.

5. Оценка реакции наземных экосистем на влияние окружающей среды.

6. Оценка загрязнения океана и влияние загрязнений на морские экосистемы.

7. Создание международной системы предупреждения о стихийных бедствиях.

Программа глобального мониторинга предусматривает систематическое изучение окружающей среды по единственным правилам и унифицированным методикам на 8 континентальных, 77 базовых и 66 биосферных региональных станциях, расположенных в разных точках Земли. Она охватывает наблюдение, оценку и прогнозирование изменений природных процессов, контроль энергетического и теплового баланса Земли (отношение поступления и расходов энергии на земной поверхности и в системе «атмосфера — Земля»), наблюдения за уровнями радиации, углекислого газа, кислорода в тропосфере (частично в гидросфере), глобальным увеличением фонового загрязнения атмосферы, состоянием Мирового океана, изменениями климата, миграционными путями животных. По некоторым из этих направлений во многих странах давно длятся успешные исследования и наблюдения, по другим — работа только началась. Поэтому по большей части необходима не организация новых служб, а максимально эффективное использование и развитие имеющихся систем, их дополнение, рациональное и эффективное использование информации.

Современная глобальная система мониторинга окружающей среды охватывает все природные зоны, а также потенциально опасные по отношению к загрязнению компонентов среды районы, выполняя такие задачи:

— определение уровней отдельных критических загрязнителей в среде, анализ их распределения в пространстве и сменяемости во времени;

— изучение размеров и скорости потоков загрязняющих веществ, их преобразований и соединений;

— сравнение используемых в разных странах методов наблюдений и анализа изменений окружающей среды;

— обеспечение необходимой для принятия управленческих решений глобальной и региональной информацией;

— предупреждение о возможных природных и антропогенных катастрофах.

Система глобального мониторинга реализуется на импактном, региональном, фоновом уровнях, для которых разработаны специальные программы.

Импактный уровень глобального мониторинга (И) заключается в изучении критических загрязнений на локальных территориях, вызванных одним или несколькими источниками выбросов. Объектом наблюдения может быть потенциально опасное предприятие (группа предприятий), сбросы или выбросы которого при определенных аварийных условиях и метеорологических характеристиках (особенности циркуляции воздушных потоков) могут повлечь глобальное загрязнение окружающей среды.

Региональный уровень глобального мониторинга (Р) охватывает изучение миграции и трансформации загрязняющих веществ и их совместного действия, характерных для определенных экономических регионов факторов. Объектом исследования является окружающая среда в пределах конкретного региона (экономического района, административной области, страны).

Фоновый уровень глобального мониторинга (Ф) предусматривает фиксацию фонового состояния окружающей среды с целью последующей оценки уровня антропогенного действия. Наблюдения проводят на базе биосферных заповедников, где запрещена любая хозяйственно-производственная деятельность и ограничено антропогенное влияние соседних территорий.

Программы наблюдений формируют на основе выбора приоритетных загрязняющих веществ и интегральных характеристик, используя определенную совокупность критериев. Ими могут быть: величина фактического или потенциально возможного влияния загрязняющих веществ на здоровье человека, состояние экосистемы, климат; способность загрязняющих веществ к деградации в окружающей среде, накопления в организме человека и пищевых цепях; способность загрязняющих веществ образовывать вредные и токсичные соединения; миграционная способность; фактические и возможные концентрации загрязнителей в окружающей среде и в организме человека. Самые распространенные загрязняющие вещества оценивают в баллах от 0 до 3 и распределяют по этим критериям на классы приоритетности (табл. 2.4). Чем выше класс, тем больше приоритет загрязнителя при организации наблюдений в определенной среде (воздух, питьевая, морская вода, биота, еда (внутреннее поступление загрязняющих веществ в организм человека, животного)) на соответствующем уровне (импактный, региональный, фоновый).

Таблица 2.4

Классификация загрязняющих веществ при приоритетности в ГСМОС

Класс	Загрязняющее вещество	Среда	Уровень мониторинга
І	Диоксид серы, взвешенные частицы Радионуклиды	Воздух Еда	И, Р, Ф И, Р
II	Озон Хлорорганические соединения, диоксины Кадмий	Воздух Биота, человек Вода, еда, человек	И (тропосф.), Ф(стратосф.) И, Р И
IIІ	Нитраты, нитриты	Вода, еда	И
IV	Оксиды азота Ртуть Свинец	Воздух Вода, еда Воздуха, еда	И И, Р И
V	Диоксид углерода Оксид углерода Углеводные нефти	Воздух Воздух Морская вода	Ф И Р, Ф
VI	Фториды	Пресная вода	И
VII	Асбест Мышьяк	Воздух Питьевая вода	И И
УІП	Микробиологическое загрязнение Реакциоспособные загрязнители	Еда Воздух	И, Р И

Определение приоритетных объектов во время организации систем мониторинга зависит от его цели и задач: на территориальном уровне преимущество предоставляют промышленным городам, источникам питьевой воды, местам нереста рыб; относительно среды наблюдений основным является атмосферный воздух и вода пресных водоемов, водотоков, морских акваторий.

Глобальный мониторинг осуществляют с использованием базовых (для глобального фонового мониторинга очень низких фоновых концентраций важнейших составляющих атмосферы) и региональных станций по минимальным (для мониторинга долговременных изменений состава атмосферного воздуха, вызванных человеческой деятельностью на региональном уровне) и расширенным программам (для мониторинга долговременных изменений состава окружающей среды на импактном уровне). Минимальные программы предусматривают измерение на базовых станциях загрязнения атмосферы, проводимости воздуха, содержания СО₂ в воздухе и химического состава осадков; на региональных станциях — наблюдение за состоянием атмосферы и химией осадков. Расширенные программы охватывают дополнительные наблюдения за диоксидом серы, сероводородом, содержанием общего озона, чадного газа и всех соединений азота, тяжелых металлов.

На основе наблюдений, оценки и прогнозирования в пределах системы глобального мониторинга было осуществлено:

— глобальная оценка состояния почвы, а также составлены карты деградации почв сельскохозяйственного назначения, пригодности сельскохозяйственных земель в определенных агроэкологических зонах, состояния пастбищ в засушливых и полузасушливых регионах;

— оценка покрова тропического леса Африки, Латинской Америки, Азии, районирование и классификация растительности;

— исследование водного баланса, ледников, гидрологических регионов;

— прогнозирование возможных изменений климата;

— оценка запасов морских биологических ресурсов, загрязнения Мирового океана;

— выделение эталонных экосистем биосферы;

— анализ данных о причинах заболеваний в определенных загрязненных районах.

Функционирование глобальной системы мониторинга окружающей среды особенно актуально в постиндустриальную эпоху, когда человечество будет переходить на новую модель устойчивого (эколого-экономическо-социального) развития. Переход к этой модели предусматривает такое состояние общества, по которому влияние на окружающую среду будет сохраняться в пределах хозяйственной емкости биосферы.

Устойчивое развитие предусматривает формирование экономических отношений, которые обеспечат возможность общего сбалансированного функционирования системы «природа — общество — экономика». Идея экологически устойчивого развития биосферы основывается на таких принципах:

— принцип ограниченности (сохранение современного состояния окружающей среды);

— принцип сохранения природного богатства на современном уровне (недопущение потерь или уменьшение природно-ресурсного потенциала и экологического биомногообразия);

— принцип баланса между ресурсом и загрязнителем (использование ресурсов в масштабах обновительной способности экологических систем) и др.

Реализовать комплекс принципов можно только на основе разносторонней и достоверной информации (наблюдений, оценки, прогнозирования), которую способна обеспечить глобальная система мониторинга окружающей среды.

Климатический мониторинг и его задачи

При глобальных преобразованиях окружающей среды определяющую роль играют климатические изменения, вызванные природными и антропогенными факторами (парниковый эффект, озоновые дыры, техногенные загрязнения окружающей среды). Находясь в тесной взаимосвязи со всеми компонентами природной среды, климат (многолетний режим погоды, свойственный данной местности) ощутимо влияет на них, на условия жизни и самочувствия человека.

Выяснение антропогенных изменений и колебаний климата невозможно без изучения его природной динамики, которая основывается на данных о состоянии климатической системы «атмосфера — океан — поверхность суши (с реками и озерами) — литосфера — биота» и взаимодействие элементов этой системы в течение длительного времени. Наблюдения за состоянием климатической системы, оценки и прогнозирования ее последующего развития осуществляют с помощью климатического мониторинга.

Климатический мониторинг — система наблюдений, оценки и прогнозирования изменения климата.

К климатическому мониторингу относится сбор данных о климате прошлого. Для этого изучают ископаемые, а также кольца древесины, донные отложения, на которых отражаются колебание и изменения климата в течение сотен и тысяч лет.

На основании возникновения определенных особенностей климата, в частности в результате влияния на него антропогенно преобразованной подстилающей поверхности (строительства больших гидротехнических сооружений, изменения площадей лесных насаждений, строительства городов), а также возможного влияния интенсивных тепловых выбросов, трансформаций состава и оптических свойств атмосферы (визуального восприятия, вызванного выбросами аэрозольных частей и газовых примесей) делают выводы об объемах антропогенного вмешательства.

Природные и антропогенные изменения климата влияют на состояние биосферы в целом, функционирование популяций растений и животных, изменяют условия жизнедеятельности человека и состояние его здоровья.

Климатический мониторинг связан с экологическим. Он нуждается в специальной системе наблюдений, способной обеспечить выполнение научных и практических задач, в частности предоставить широкую климатическую информацию. С этой целью, как правило, создают службу сбора климатических данных, сфера деятельности которой протягивается и за пределы мониторинга антропогенных изменений климата. Для познания сущности и антропогенной составляющей изменений и колебаний климата необходим большой массив данных о параметрах элементов биосферы, процессах, которые характеризуют ее изменения. Особенно это важно при прослеживании сменяемости климата в пространстве и времени. Прогнозирование сезонных и годовых колебаний климата происходит на основе информации, которую обеспечивает глобальная система наблюдений. При этом следует иметь в виду, что наблюдения, направленные на изучение сменяемости климата, должны обязательно учитывать инерционность климатической системы.

Мониторинг климата сосредоточивается на реализации таких задач:

— сбор данных о состоянии климатической системы;

— анализ и оценка природных и антропогенных изменений и колебаний климата (включая сравнение климата прошлого с современным);

— выделение антропогенных эффектов в зафиксированных изменениях климата;

— выявление природных и антропогенных факторов, которые предопределяют изменение климата;

— выявление критических элементов биосферы, влияние на которых может повлечь климатические изменения.

Климатический мониторинг охватывает геофизический (система наблюдений за абиотической частью биосферы, а именно: климатом, рельефом, температурой, солнечной радиацией и тому подобное) и биологический (система наблюдений за состоянием биотической составляющей биосферы и ее реакцией на антропогенное влияние) мониторинги, для него важны как факторы действия, так и источники загрязнения. В его осуществлении важную роль играют метеорологические службы, которые сформированы из наземных и спутниковых подсистем, дающие возможность разносторонне отслеживать процессы и явления. Все основные климатические данные и информацию, необходимые для анализа изменений климата, разделяют на группы:

1. Измерение основных метеорологических параметров, изучение и анализ атмосферных явлений и процессов, которые характеризуют соответствующее состояние погоды. К этой группе принадлежат данные о температуре и влажности воздуха, атмосферном давлении, скорости и направлении ветра, интенсивности осадков, гидрологических данных, а также данные о снежном покрове, влажности и глубине промерзания почвы и другие, которые получают на метеорологических и гидрологических станциях и постах. На основе этой информации осуществляют мониторинг атмосферных явлений и процессов, получают их национальные метеорологические службы из соответствующих станций с помощью технических средств.

На современном этапе в мире функционируют 40 000 климатологических и 140 000 дождемерных станций, однако размещены они неравномерно. Международный обмен основными погодными данными обеспечивают Всемирная служба погоды (ВСП), Всемирная метеорологическая организация (ВМО). ВСП формируется из глобальных систем наблюдений, телесвязи и обработки данных. Целью ее работы является сохранение и предоставление пользователям необходимой информации.

Глобальную систему наблюдений формируют наземная и спутниковая подсистемы. Наземная подсистема базируется на опорной синоптической сети. Она получает информацию также с кораблей и самолетов, метеорологических радиолокаторов, разных систем зондирования атмосферы. К наземной подсистеме наблюдений относятся станции измерения солнечной радиации, фонового загрязнения атмосферы и других составляющих атмосферы (диоксида углерода (СО₂), озона (О₃), разнообразных газовых примесей). Аэрозольные составляющие природного и антропогенного происхождения, электромагнитное излучение, тепловое загрязнение также представляют интерес для служб наземной глобальной системы наблюдений, поскольку заметно отражаются на климате.

Спутниковую подсистему образуют геостационарные и расположенные на околополярных орбитах метеорологические спутники. Они отслеживают вертикальные профили температуры и влажности, температуру поверхности моря, поверхности суши и верхнего слоя туч, снежный покров, радиационный баланс.

2. Мониторинг состояния климатической системы (реакция климатической системы и ее элементов на природные и антропогенные смены). Он охватывает всю биосферу, но сосредоточивается на эффектах (реакциях), которые непосредственно касаются антропогенных изменений климата. Наблюдение за состоянием климата охватывает мониторинг климатообразующих факторов, а также величин, характеризующих реакцию климатической системы и ее элементов на разные воздействия, прежде всего антропогенные. Важными данными о состоянии подстилающей поверхности, которые характеризуют ее альбедо (часть падающей лучевой энергии, которую она отражает), мониторинг энерго- и массообмена между атмосферой и подстилающей поверхностью, сведения о водном балансе и его влиянии на смену климата. Все эти факторы являются климатообразующими, а изменяются они в результате реакции элементов климатической системы под воздействием разных факторов.

Океан играет определяющую роль при формировании климата. Поэтому целесообразно осуществлять мониторинг состояния океана, которое обеспечивается измерением температуры его поверхности и верхнего слоя, содержимого соли и химического состава воды, волнения и течений на разных глубинах. Для получения данных о взаимодействии атмосферы и океана проводят регулярные морские климатологические измерения температуры воздуха и воды, капель росы, видимости, направления и силы ветра, атмосферного давления.

3. Мониторинг внутренних и внешних факторов (особенно антропогенных факторов и их источников), влияющие на климат и состояние климатической системы. К внешним факторам относятся влияние Солнца и космического излучения, их интенсивность зависит от солнечной активности, параметров орбиты и скорости вращения Земли. Эффекты влияния предопределяются интенсивностью его факторов, свойствами и составом атмосферы Земли, свойствами земной поверхности (альбедо).

К внутренним факторам, которые влияют на климат и климатическую систему, относят тепловые выбросы и выбросы веществ в биосферу, их перераспределение между разными средами. Он может быть природным (извержение вулканов) и антропогенным. Внутренние факторы предопределяют изменение свойств климатической системы (изменяется альбедо подстилающей поверхности и атмосферы, а также тепло- и газообмен подстилающей поверхности с атмосферой).

Наблюдение за изменениями температуры воздуха, которые проводят в больших городах и их предместьях, засвидетельствовали повышение температуры в пределах 0,5°—1,0°С. Это предопределено тепловыми выбросами и изменениями альбедо в больших городах.

При оценке колебаний состава атмосферы, изучении возможного их влияния на климат особенная роль принадлежит наблюдениям за содержанием и изменениями концентраций СО₂ в атмосфере, за процессами обмена его с Мировым океаном и наземной биотой. Увеличение количества углекислого газа в атмосфере связано с антропогенной деятельностью — сжиганием минерального топлива. На современном этапе этот антропогенный фактор чувствительнее всего влияет на климат. Поэтому особенно важным является регулярное измерение концентрации СО₂ в атмосфере, изучение баланса углерода в биосфере, обмена СО₂ с глубинными слоями океана, влияния нефтяной пленки на газообмен между океаном и атмосферой.

Обратный эффект (возможное похолодание через отражение части падающего солнечного излучения) вызывает повышение содержания стратосферных аэрозолей, которое зависит от природных причин (извержения вулканов, песчаные бури) и антропогенной деятельности (выбросы промышленных предприятий).

Мониторинг объемов основных составляющих атмосферы, загрязнений и изменений, которые происходят с ними, по большей части организован на государственном уровне, является важной частью глобальной системы мониторинга.

4. Мониторинг возможных физических и экологических превращений в окружающей среде, которые происходят в результате климатических изменений и колебаний. Трансформации климата, влияя на состояние биосферы, отражаются и на хозяйственной деятельности человека. Самыми чувствительными к колебаниям климата являются элементы биосферы, расположенные в полярных широтах, засушливых местах, а также экосистемы пустынных зон, высокогорья.

Параметры изменений в биосфере называют непрямыми показателями изменений климата. Эту группу показателей образуют изменения уровня морей, озер, расположения береговой линии, годовых слоев, донных отложений озер, снежной линии и др. К ней также относят и такие экологические признаки, как изменение характера растительности, урожайности культур, морской микрофлоры и микрофауны, популяций насекомых, особенности распространения болезней животных и растений, прежде всего в зонах с наибольшей чувствительностью к изменениям климата.

Комплекс этих данных необходим для проведения всестороннего анализа состояния окружающей среды и моделирования климата, на основании которых выделяют критические факторы влияния и самые чувствительные элементы биосферы, являющиеся предпосылкой оптимального функционирования системы климатического мониторинга.