19.3 Дистанційні методи контролю стану довкілля

Поряд з цілеспрямованими роботами, пов'язаними з реєстрацією в компонентах навколишнього середовища забруднювачів, дуже актуальним є спостереження за їх потоками і антропогенни­ми змінами. Запобігання вказаним змінам може забезпечити вчас­не виявлення негативних тенденцій. Це дає змогу здійснювати ефективний екологічний моніторинг.

Важливою складовою моніторингу є дистанційні методи кон­тролю. Достатня чутливість методів дистанційного зондування, швидкість аналізу, можливість селективної реєстрації окремих скупчень локальних забруднень, їх координатна прив'язка, визначення термінів змін стану (включаючи динаміку), встановлення ізоліній концентрацій забруднень тощо робить їх обов'язковою складовою ефективної системи екологічного моніторингу.

Узагальнюючи існуючу в Україні базу, на основі якої можна залучити до практичної реалізації дистанційні методи, варто підкрес­лити, що існуючі, наприклад, в атмосферному повітрі концентрації забруднюючих речовин (10^-3-10^-1 об'ємних процентів) визнача­ють спеціальним обладнанням. В системах, що здійснюють контроль в горизонтальному шарі на відстанях ~ 10²-10³ метрів, можуть бути використані методи резо­нансного комбінованого розсіювання або лідарної абсорбції. За­значимо, що лідарний абсорбційний метод може бути ефективним при трасах довжиною 1-10 км.

Визначення інтегрального вмісту у вертикальному стовпі атмос­фери здійснюється за допомогою систем, якими можуть бути осна­щені літаки або штучні супутники Землі. До складу зазначених систем включають методи, які добре себе зарекомендували. Це ме­тоди лазерної адсорбції та радіометрії і спектрометрії сонячного випромінення. Лазерна локація поверхні Землі з прийомом відбитого сигналу на літальному апараті в літаку надає можливість вимірювати профіль концентрацій на рівні 10^-4-10^-1 об'ємних відсотків у широкому діапазоні висот (0–30 км). Лазерне зондування дуже ефективне при вивчені фазово-дисперсних характеристик забруднень повітряного басейну. Мається на увазі визначення стратифікації аерозольних шарів і просторово-часова динаміка їх утворення.

Дистанційні методи контролю за станом водного басейну мо­жуть реалізовуватись як в пасивному, так і активному режимах. Особливої уваги заслуговують методи контролю нафтових заб­руднень. Пасивні методи основані на фіксації теплового випро­мінювання і натурального гама-випромінювання. При застосуванні активних методів поверхня води, що контро­люється, опромінюється джерелами випромінення визначеного спектрального складу з реєстрацією відбитого випромінення чи флюорисценції. При реєстрації відбитого ультрафіолетового ви­промінення можна фіксувати фазово-дисперсні характеристики гетерогенних систем, що утворюються в природній воді (табл. 19.1). Так, гомогенні системи контролюються за рахунок штучного збудження спектрів флюорисценції. Це досягається при використанні, наприклад, гелій-кадмієвого лазера з довжи­ною хвилі, яка перебудовується.

Для дистанційного вивчення стану грунтів і сільгоспугідь найбільш поширена багатозональна фотозйомка. Вона передбачає фотографування однієї й тієї ж ділянки кінокамерами, чутливими до різних зон спектра. За допомогою різних фільтрів світла весь видимий і ближчий інфрачервоний спектр ділиться на вузькі спектральні діапазони. Кожен з них відбиває визначені прикмети і властивості ґрунтового покриву.

Сучасним ефективним засобом є багатоспектральна фотоелект­ронна зйомка земної поверхні. Вона реєструє різні показники теп­лового випромінення поверхні різних ґрунтів і сільськогосподарсь­ких посівів.

До нових і найбільш надійних засобів контролю слід віднести радіолокаційну зйомку. Головною перевагою цього методу є те, що він однаково надійно працює в тумані, крізь хмари і вночі. Аналіз можливої реалізації фізико-технічних методів в організації радіофізичного моніторингу контрольованої території досліджувався різними авторами. Контролем за допомогою таких методів може бути охоплена велика територія з широкою просторово-часовою розподільністю за відносно невеликого загального рівня витрат на створення та експлуатацію системи контролю.

Перед системою контролю стоять такі першочергові завдання:

• реєстрація, аналіз, оцінка і встановлення загального показ­ника екологічного стану території;

• виділення «критичних» об'єктів та джерел антропогенних навантажень і встановлення їх впливу на окремі компоненти ландшафту;

• виявлення екологічних аномалій, що утворились або вини­кають в навколишньому середовищі під впливом антропо­генних навантажень тощо.

Вирішення цих завдань потребує міцної методичної бази, яка б забезпечувала здійснення вибору необхідного обладнання для дистанційного зондування, оперативного і достовірного дешифру­вання його результатів, ефективного аналізу останніх. На основі проведених робіт можна було б опрацьовувати алгоритми розв'я­зання можливих екологічних проблем.

Як показує практика, реалізація зазначеного комплексу робіт починається з визначення головних критеріїв/параметрів, що описують екологічні процеси досліджуваної території. Вказаний перелік починається з природно-кліматичних показників. Так, скажімо, ще в роботах В.М. Сукачова концентрувалася увага на тому, що ландшафт території складається з цілої низки біоценозів, а в їх межах існують дуже близькі за своїми показниками еко­логічні механізми. В свою чергу, кордони біогеоценозів визнача­ються межами, де припиняється подібність показників таких складових ландшафту як грунт, види рослинного і тваринного світу, вологість (кількість опадів), гідрологічні умови тощо. Ці обставини визначають і квазіоднорідні показники в межах зазна­чених біогеоценозів обміну речовин та енергії .

Саме ці показники є визначальними у формуванні відповідних екологічних показників або в можливій їх трансформації. Це, у свою чергу, визначає загальні екологічні показники ландшафту. Реєстрація окремих його ділянок, які мають відмінні екологічні показники, і є основою екологічного районування.

Сьогодні існує три групи підходів до екологічного районування території. До першої належать методи, пов'язані з суміщенням окремих картографічних матеріалів – прошарків картографічної інформації, що стосуються однієї території. Мова йде про мате­ріали, які висвітлюють характеристики окремих складових ланд­шафтів. Зіставлення, виявлення та виділення відмінностей в по­казниках (по всіх або заданій кількості кордонів) і є екологічним районуванням.

Друга група методів передбачає кількісний аналіз основних, вже згаданих нами показників, що характеризують з екологічної точки зору компоненти ландшафту досліджуваної території. Цей аналіз дає підстави виділити статистично значущі критерії. Такий підхід дістав назву методу головних компонент.

Третя група методів поєднує підходи щодо виділення відмінно­стей в екологічних показниках, які описують характеристики компонентів ландшафту території, що аналізується. Отримані показники зіставляються з величинами, які характеризують одно­рідності, виділені при картографічній оцінці. І нарешті, в резуль­таті зазначеного зівставлення проводиться районування за квазі-однорідними показниками.

Пропонується підхід, який враховує вже напрацьований досвід. Цей підхід спрямований в першу чергу на вирішення головних завдань моніторингу. Мова йде про те, що на першому етапі на базі географічних інформаційних систем (ГІС) здійснюєть­ся аналіз і екологічне районування ландшафту з метою геоекологічного його районування. Після того на районовану територію накладають­ся результати дистанційного зондування, які інтерпретуються крізь призму запропонованої класифікації компонентів довкілля і його можливих забруднювачів за фазово-дисперсними характеристиками. Це дає змогу здійснювати районування території і виділяти зони, які мають найвищий ризик піддатися деградації внаслідок антро­погенних навантажень. Крім того, надається можливість встанов­лювати координати джерел найбільш небезпечних екологічних наван­тажень і прогнозувати можливі напрямки і потужність негативних трансформацій під впливом цих навантажень.

Виходячи з того що кругообіг речовин та енергії в біосфері спирається на загальні кількісні характеристики, котрі визначають стан природних систем, пропонується використовувати дистанційні методи також для контролю за розподілом забруднюючих речовин у компонентах навколишнього середовища. Це дає можливість встановлювати спрямованості вектора негативного впливу та його потужність. Крім того, за допомогою названих методів ефективно простежується динаміка перелічених процесів, реєструються їх вихідні дані за часом, а також пов'язуються з комплексом показ­ників на перспективу, де фіксуються певним чином негативні екологічні наслідки в навколишньому середовищі. Просторові й часові масштаби контрольованих екологічних процесів є одним з визначальних факторів при обранні типу датчиків, платформ для їх розміщення і способу організації процесів контролю.

Датчики систем екологічного контролю можуть розміщуватися на наземних нерухомих і мобільних платформах, авіаційних і космічних носіях. Більш детально аналізувалися можливості аві­аційної платформи. На літаку-носієві можуть бути розміщені датчики, які виконують безпосередні вимірювання параметрів атмосфери, а також радіофізичні датчики, призначені для вим­ірювання власного, відбитого і розсіяного атмосферою, водною поверхнею і суходолом електромагнітного випромінювання. Вибір необхідних датчиків може, наприклад, здійснюватись згідно з положеннями, які знайшли своє відображення в таблиці 19.3. В ній реалізована спроба класифікувати радіофізичні датчики у відпо­відності з класифікацією природного середовища і забруднюючих його речовин. Часові інтервали спостережень за контрольованим середовищем можуть визначатися технічними можливостями літака-носія і становити від кількох годин до кількох місяців.

Таблиця 19.3 – Контрольовані середовища і радіофізичні датчики

Площа огляду, об'ємна роздільність і періодичність зйомки радіофізичними датчиками, встановленими на авіаційній платформі, свідчать про доцільність їх використання для контролю за проце­сами масо- та енергоперенесення в компонентах ландшафтів як в регіональних, так і в глобальному масштабах. З даних таблиці бачимо, що багатовимірна структура відгуків активних та пасивних трасових і картографічних датчиків, які працюють у різних частот­них діапазонах, містить кількісну інформацію про енерго- і масо-перенесення, а послідовність станів цих відгуків містить інфор­мацію про горизонтальні, похилі або вертикальні складові компонент вектора. Спрямованість і значення абсолютної величини вказаного вектора може визначати потужність і спрямування потоків енерго-та масоперенесення в компонентах ландшафту.

Однак спроби числового розв'язання завдань зворотного порядку, тобто відновлення параметрів енерго- і масоперенесення на підставі числового ряду спостережень за компонентами навколишнього сере­довища (на основі, зрозуміло, методичної бази, яка існувала) натра­пили на певні обмеження і проблеми. По-перше, це неповнота знань про лімітуючі стадії вказаних процесів (коефіцієнти перенесення за рахунок ерозії та в системах «грунти – грунтові води», «рослина – грунти», «рослина – тварина – людина» тощо). По-друге, далася взнаки обмеженість методичних можливостей при розпізна­ванні сигналів відбиття і випромінювання аналізованих середовищ.

Із запропонованої таблиці видно, що для одержання достат­нього обсягу інформації про згадані вище перенесення в атмос­фері, гідро- та літосфері необхідно використовувати комплекс датчиків, які перекривали б увесь доцільний для інтерпретації спектр електромагнітного випромінювання. Однак вартість і час аналізу всього обсягу одержаної інформації можуть бути непри­пустимо великими. Для подолання цієї проблеми можна поділити все завдання на окремі його складові: картування джерел забруд­нень, потоків їх поширення, місць забруднення, реєстрацію наслідків. Можливо припустити, що етапи змінюють один одного і, залежно від стадії, вибирається необхідний комплекс датчиків за критерієм «ефективність-вартість».

Проведені в реальних умовах визначення економічних показників дали змогу підрахувати, що використання ІЛ-114 як літака-носія доводить середню вартість спостережень за 1 км² території до приблизно 0,185 грн.