Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды. Монография
.pdf
внимание в программах наблюдения Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) уделяется проблемам, связанным с оценкой уровня и динамики фонового загрязнения компонентов биосферы с учетом вклада антропогенной составляющей, обусловленной многочисленными источниками выбросов (сбросов) загрязняющих веществ.
При создании в Российской Федерации Единой государственной
системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) декларировалось,
что одной из основных ее задач является оперативный контроль
энерго-экологического, медико-биологического и социальноэкономического состояния окружающей среды. Однако, как это неоднократно отмечалось научной общественностью, действующие в
настоящее время системы и службы мониторинга окружающей среды не удовлетворяют требованиям оперативного информационного
обеспечения управления в области охраны, рационального использования природных ресурсов и экологически безопасного устойчивог
о
развития страны и ее регионов. Кроме того, в результате продолжающегося сокращения наблюдательных сетей, снижения технического уровня измерительных систем и ухудшения их метрологического обеспечения значительно снижается информативность и достоверность получаемых данных.
Прямо противоположные тенденции прослеживаются за рубежом,
где в последние годы получили дальнейшее развитие национальные
и региональные системы экологического мониторинга. Совершенствуется аппаратурно-методическая и информационно-аналитическая
база этих систем, непрерывно растет число автоматических станций
наблюдения, все шире используются современные методы и технологии, включая мобильные комплексы и средства дистанционного
зондирования.
Предваряя последующее более детальное изложение используемых в книге основных терминов, понятий и определений, ограничимся несколькими предварительными замечаниями относительно
содержания и смысловой нагрузки некоторых ключевых понятий и в
первую очередь таких, как воздействие на окружающую среду, за-
грязнение и загрязняющие вещества, а также мониторинг (экологический мониторинг) и контроль (экологический контроль).
В книге дано определение введенного автором термина «экологическое измерение», характеризующего специфический вид (класс)
11
измерений всего многообразия физических, химических, биологических параметров и характеристик окружающей среды, а именно: экологические измерения – измерения, связанные с изучением состояния биосферы и ее компонентов, природных (естественных) процес-
сов и явлений, оценкой уровня и характера антропогенных факторов,
воздействующих на эти объекты, процессы и явления, с целью опре-
деления соответствующих параметров и характеристик, выраженных
через систему показателей (нормативов) безопасного уровня жиз-
недеятельности человека, животного и растительного мира. В этой
связи автор в порядке обсуждения считает целесообразным выделить
в отдельную прикладную научную дисциплину (на стыке экологии,
информатики и метрологии) – геоэкометрику – постоянно развивающуюся область знаний об измерениях в экологии, предметом которой являются как методы измерений экологических параметров и
характеристик, так и методологические основы и принципы измерений, а также и технические средства (системы), используемые для
этих целей.
По мнению автора, требует корректировки несколько ошибочный,
но устоявшийся в нашей справочной, научно-технической и учебной
литературе термин «мониторинг». Его определение сводится к тому,
что мониторинг включает три блока: систему наблюдений, оценки и
прогноза состояния природной среды. В книге предлагается следующее определение: экологический мониторинг – это система посто-
янных наблюдений объектов окружающей среды и биосферы в целом
путем измерения соответствующих параметров и характеристик с
научно обоснованными целями и программами.
По мнению автора, такое понимание термина «мониторинг» достаточно точно передает его содержание и соответствует первоначальному определению, выработанному экспертами ООН, согласно
которому мониторингом было предложено называть систему по-
вторных наблюдений одного или более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями
в соответствии с заранее подготовленной программой
1
.
Разработка методик и алгоритмов обработки экспериментальных
данных на базе современных ГИС-технологий, дальнейшее совершенствование физических и математических моделей функциониро-
–––––––––
1
Mann R.E. Global Environmental Monitoring System (GEMS), Action Plan for Phase 1.
Scientific Committee on Problems of the Environment (SCOPE). Rep.3. Toronto. 1973. 130 p.
12
вания природных и природно-антропогенных экосистем является
предметом экоинформатики – интенсивно развивающего направления современной экологической науки.
С методологической точки зрения получение информации о состоянии биосферы в большинстве случаев носит характер научного
исследования, в котором центральным звеном (доминантой) является метод (совокупность методов) измерения, обеспечивающий получение исходных данных, которые могут быть использованы как для
комплексной оценки текущего состояния и возможных тенденций
развития, так и для обоснования выбора критериев принятия тех или
иных управленческих решений.
Обратим внимание еще и на то, что под мониторингом мы понимаем систему наблюдений всей совокупности параметров и характеристик окружающей среды независимо от того, какими причина-
ми они вызваны – естественными или антропогенными.
В заключение еще раз подчеркнем, что современная система экологического мониторинга является многоуровневой системой и осуществляется в глобальных масштабах, либо на уровне регионов, либо
на территории отдельного государства и его муниципальных образованиях (областях, штатах, городах) специальными службами с достаточно мощной и гибкой аппаратурно-методической базой, включающей современные лабораторные методы, мобильные измерительные комплексы, средства дистанционного зондирования. Синтез
измерительной информации, получаемой многоуровневыми системами мониторинга с соответствующими базами данных, алгоритмами обработки, математическими моделями и другими не менее важными элементами структуры современных ГИС-технологий, позволяет представить общую картину биогеохимических процессов и явлений окружающей среды, включая оценку и прогноз их развития
(изменения) под влиянием многочисленных природных и антропогенных факторов.
13
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ БИОСФЕРЫ
И МАСШТАБЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Сегодня не вызывает сомнения, что большинство современных
экологических проблем обусловлено широкомасштабными антропогенными воздействиями на компоненты природной среды, отдельные
экосистемы и биосферу в целом. Зоны напряженной и кризисной экологической ситуации, создаваемые этими многофакторными, непрерывно возрастающими воздействиями, выходят далеко за пределы локальных территорий, приобретая все больше региональный и глобальный характер. В связи со значительным ростом предельно допустимых
нагрузок на объекты природной среды видные ученые и специалисты
сходятся во мнении о приближении эпохи истощения природных ресурсов, деградации экосистем, угрозы исчезновения большой группы
представителей животного мира и многих видов растений.
Особую опасность представляют крупнотоннажные выбросы и
сбросы загрязняющих веществ многочисленными отраслями промышленности, объектами энергетики, автотранспорта и другими техногенными источниками, объемы которых уже достигли критических величин. Эти вещества, попадая в различные слои атмосферы, гидросферу
и литосферу, накапливаясь, трансформируясь и вовлекаясь в биогеохимические циклы, могут привести к необратимым процессам на
уровне отдельных экосистем, регионов и в масштабе всей планеты. В
качестве примера можно привести такие региональные и глобальные
проявления возрастающей роли антропогенной составляющей загрязнений в развитии таких негативных явлений, как кислотные дожди,
озоновые дыры, изменение (потепление) климата планеты.
Предваряя рассмотрение современных экологических проблем,
приведем некоторые сведения общего характера и ключевые понятия экологии, среди которых особое место занимает учение о биосфере – глобальной экосистеме Земли. Изложение этих необходимых в дальнейшем сведений начнем с самого начала: откуда и когда возникла жизнь и окружающий нас мир – Вселенная, Солнце и
наша планета Земля.
Вселенная возникла из сингулярного (от лат. singularis – отдель-
ный, особый) состояния в момент Большого взрыва с весьма высокими значениями плотности энергии материи и кривизны пространства-времени [1]. Большой взрыв (англ. Big Bang) характеризуется так-
14
же следующими параметрами: время взрыва – 10
32
10
К, всего лишь через 100 с был достигнут первоначальный хими-
ческий состав Вселенной: водород – 70 %, гелий – 30 % с температурой порядка 10
9
К. В табл. 1.1 представлены основные события, на-
–43
с, температура –
чиная с Большого взрыва, положившего начало всему, что произошло в истории Вселенной и Земли.
Таблица 1.1
Большой взрыв и периоды в истории Земли
109 млрд лет назад Событие (процесс)
13,5…14,0 Большой взрыв и образование Вселенной
5,0 Образование Солнца
4,6 Образование Земли
4,0 Возраст древнейших пород на Земле (на территории
Канады и Гренландии)
3,5 Возникновение магнитного поля Земли
2,5 Образование суперматерика Пангея
2,5 Появление водоросли
2,5 Появление в атмосфере Земли кислорода*
1,8 Появление фауны (червеобразные)
0,46 Первые наземные растения
0,42 Появление рыб
0,24 Появление млекопитающих
0,0025 Появление Homo habilies (Человека умелого)
9·10–5 Появление Homo sapies (Человека разумного)
109 (млрд) лет вперед Событие (процесс)
5,0…5,5 Истощение энергии Солнца и гибель жизни на Земле
–––––––––
*Кислород играет ключевую роль в биологических процессах. Анализ древних
слоев горных пород на территории Австралии, проведенный в последнее время, позволил сделать вывод о том, что кислород на нашей планете появился около
2,5 млрд лет назад, т.е. примерно за 100 млн лет до начала активного роста и размножения биологических видов. В структуре Земли кислород существовал и до этого, однако в атмосфере его почти не было. Ранее считалось, что кислород появился в
атмосфере планеты примерно 2,3…2,4 млрд лет назад, тогда же начались активные
окислительные процессы, которые в итоге и привели к появлению жизни.
В наши дни для изучения процессов, связанных с образованием
нашей Вселенной в соответствии с теорией Большого взрыва, проводятся экспериментальные исследования с помощью Большого адронного коллайдера. По последним сообщениям (октябрь 2010 г.) в результате этих экспериментов получены новые данные о строении вещества, а также и антивещества. В частности, с помощью коллайдер
15
а
впервые удалось около одной секунды удержать в магнитном поле
атомы антиводорода. По словам одного из участников эксперимента
профессора Роба Томпсона, это достижение является научным прорывом, который поможет разгадать загадку происхождения Вселенной.
Большой адронный коллайдер (БАК) (англ. Large Hadron Collide,
LHC) – это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках,
предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и изучения
продуктов их соударений. Коллайдер построен в научноисследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой большой экспериментальной установкой в мире – длина основного кольца ускорителя составляет почти 27 км. Он называется адронным, поскольку предназначен для ускорения адронов – частиц,
состоящих из трёх кварков (кварки – гипотетические элементарные
частицы, из которых состоят все адроны), а коллайдером – от
англ. collide (сталкиваться). Считается, что кварки заключены внутри
адронов и неспособны их покидать.
Данные табл. 1.2 дают представление о плотности вещества во
Вселенной [2]. Из приведенных цифр обращают на себя внимание
два крайних значения величин плотности: 10
Плотность вещества Вселенной
Объект Плотность вещества, мг/м3
Вселенная 10
Скопление Галактик 10
Межзвездный газ 10
Галактика (Звездная система Млечный путь) 10
Солнце 1,4
Нейтронная звезда 1014
Черная дыра 1093
Портрет ученого. Портретную галерею выдающихся ученых прошлого, недалекого прошлого и настоящего открываем кратким повествованием о нашем современнике,
выдающемся физике-теоретике Стивене Хокинге, которого сравнивают с великим
Альбертом Эйнштейном. Можно смело утверждать, что его жизнь – подвиг во имя
познания истины, еще неизведанного, покрытого многими тайнами. Итак, Хокинг
Стивен Уильям – английский физик-теоретик родился 8 января 1942 г. в Оксфорде.
В 1962 г. получил степень бакалавра по математике и физике, а в 1966 г. – степень
доктора философии в Кембриджском университете. В 1974 г. был избран членом
Лондонского королевского общества. В 1988 г. за исследования черных дыр (совме-
16
–29
и 1093!
–29
–28
–25
–24
Таблица 1.2
стно с Р. Пенроузом) получил премию Фонда Вольфа. Основные работы С. Хокинга
посвящены общей теории относительности (в частности, пространственновременным сингулярностям), теории тяготения, теоретической астрофизике (гравитационный коллапс, черные дыры). Стивен Хокинг называет себя агностиком. Некоторые его взгляды близки к трансгуманизму: Хокинг считает, что человек не является венцом эволюции и должен совершенствоваться с помощью научно-технических
средств (киборгизации, генотерапии и др.). В середине 1960-х годов С. Хокинг (совместно с тем же Р. Пенроузом) доказал теорему о сингулярностях. Показал, что с
учетом характера расширения Вселенной на современном этапе эволюции и эйнштейновской теории тяготения приходится сделать вывод, что в прошлом ее плотность была неизмеримо большей. В 1971 г. предложил новый механизм образования
черных дыр; показал, что на самых ранних этапах эволюции Вселенной, при высоких температуре и давлении могли образовываться черные дыры малой массы размером порядка размера элементарных частиц. В середине 1970-х годов разработал
теорию «испарения» черных дыр вблизи их поверхности вследствие квантовых эффектов и рождения пар частиц и античастиц. Согласно прежней теории эти объекты
не могли терять массу.
Достижения Хокинга впечатляют и восхищают еще и тем обстоятельством, что с
1962 г. он поражен тяжелой болезнью и может общаться с людьми лишь с помощью
компьютерного синтезатора речи. С. Хокинг – автор ряда популярных книг по космологии, в числе которых мировой бестселлер «От Большого взрыва до черных дыр»,
«Краткая история времени» и ряд других книг и статей. Книги Стивена Хокинга переведены на русский язык, пользуются популярностью и свидетельствуют об удивительном таланте автора излагать сложные процессы и явления просто и понятно.
Отмечая выдающиеся успехи С. Хокинга, мы все же не можем обойти молчанием и хотя бы очень кратко не рассказать о его гениальном предшественнике, величайшем ученом XX столетия, автора теории относительности, многие идеи которого
коренным образом изменили наши представления о физической картине мира, нашей Вселенной, Альберте Эйнштейне.
Портрет ученого. Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) – гениальный ученый, физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии, заслуги которого мы прежде всего связываем с теорией относительности, родился 14 марта 1879 г. в городе Ульме (Германия). Некоторое время жил в Швейцарии, где после завершения учебы в Цюрихском
политехникуме работал вначале учителем, а затем с 1902 по 1909 г. – в патентном
бюро в г. Берне. Удивительно, но именно в эти годы им были заложены основы теории относительности, выполнен целый ряд работ в области квантовой теории и статистической физике. За работы в области теоретической физики и открытие законов
фотоэффекта в 1921 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. В 1933 г.
Альберт Эйнштейн покинул Германию и эмигрировал в США. В г. Принстоне (штат
Нью-Джерси) стал работать в Институте высших исследований.
Самый знаменитый ученый XX века и один из величайших ученых всех времен
Эйнштейн обогатил физику с присущей только ему силой прозрения и непревзойденной игрой воображения. С детских лет он воспринимал мир как гармоническое
познаваемое целое, «стоящее перед нами наподобие великой и вечной загадки». По
его собственному признанию, он верил в «Бога Спинозы, являющего себя в гармонии всего сущего». Именно это «космическое религиозное чувство» побуждало Эйнштейна к поиску объяснения природы с помощью системы уравнений, которая об-
17
ладала бы большой красотой и простотой. В последние годы жизни Эйнштейн работал над созданием Единой теории поля. Ее смысл главным образом заключается в
том, чтобы с помощью одного единственного уравнения описать взаимодействие
трех фундаментальных сил: электромагнитных, гравитационных и ядерных. Скорее
всего, неожиданное открытие именно в этой области и побудило Эйнштейна уничтожить свой труд. Что это были за работы? Ответ, увы, великий физик навеки унес с
собой. Умер А.Эйнштейн 18 апреля 1955 г.
Об А. Эйнштейне написано очень много. Приведем некоторые из публикаций.
«Скромному служащему Бернского патентного бюро было всего 26 лет, когда он
внезапно перевернул представления человечества о пространстве и времени, энерги
и материи – именно такими словами начинается статья об А. Эйнштейне в популярном журнале GEO (№ 9, сентябрь 2005 г.). Это случилось в одну из майских ночей
1905 г., когда «родилась специальная теория относительности». В весьма увлекательной и доступной форме рассказано о великом ученом и в небольшой по объему
книжке «Эйнштейн за 90 минут» Дж. Шварцем и М. Мактиннесом – это перевод с
англ. изд-ва Астрель. М., 2004. В этой книжке представлены, в частности, новые
положения «принципа относительности по Эйнштейну: 1) в природе не существует
бесконечно быстрых взаимодействий; 2) следовательно, должна быть максимально
возможная скорость взаимодействия; 3) скорость электромагнитного взаимодействия равна скорости света; 4) скорость света – это максимально возможная скорость».
И еще. Редакция журнала «Time» и его многочисленные читатели по всему миру
назвали этого великого ученого «человеком ХХ столетия». Он был членом многих
научных обществ и академий мира, в том числе почётным членом АН СССР.
1.1. Общие сведения и основные понятия экологии
Известно, что экология (от гр. oikos – дом, жилище и loqos – уче-
ние), как новая научная дисциплина, зародилась в недрах биологии.
Этот термин был использован немецким естествоиспытателем Эрнстом Геккелем в своей широко известной монографии «Всеобщая
морфология организмов», изданной в 1866 г. По определению автора
экология – «общая наука о взаимоотношениях организмов с окру-
жающей средой», причем под окружающей средой понимались все
условия существования органической и неорганической природы
[3, 4]. Наряду с этим Э. Геккель определяет экологическую науку как
«физиологию взаимоотношений организмов со средой и друг с другом» [5]. Такое понимание сути экологии сохранялось в течение дли-
тельного периода времени, вплоть до середины прошлого столетия.
В настоящее время существует множество определений предмета и
содержания экологической науки, одно из которых, по мнению автора, выглядит следующим образом: современная экология представ-
ляет собой междисциплинарное научное направление, изучающее
широкий круг проблем взаимосвязи и взаимоотношений живых су-
и
18
ществ (включая человека) и среды их обитания в условиях непрерывно возрастающего влияния антропогенных факторов. Общие зако-
ны экологии были сформулированы в начале 70-х годов прошлого
столетия американским ученым Б. Коммонером [6]. Всего их четыре
и выглядят они следующим образом.
Все связано со всем. Это наиболее общий закон об экосистемах и
биосфере в целом, подчеркивающий всеобщую связь процессов и явлений в природе. Он призван предостеречь человечество от необдуманных воздействий на отдельные части экосистем, что может привести не только к непредвиденным, но и необратимым последствиям.
Все должно куда-то деваться. Закон касается антропогенной
деятельности, отходы от которой неизбежны, и потому необходимо
думать как об уменьшении их количества, так и о последующем их
использовании.
Природа «знает» лучше. Действия человека должны быть направлены не на покорение природы и преобразование ее в своих интересах, а
на адаптацию к ней. Это одна из формулировок принципа оптимальности. В совокупности с принципом единства Вселенной он приводит
к тому, что Вселенная в целом предстает как единый живой организм.
Ничто не дается даром. Это закон рационального природопользования. Ни одно наше воздействие на природу не проходит бесследно.
Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках
которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не
может являться объектом всеобщего улучшения.
Хотелось бы обратить внимание на один из фундаментальных
принципов экологии – принцип Ле Шателье (по имени французского
физико-химика Анри Луи Ле Шателье), согласно которому внешнее
воздействие, выводящее экологические системы из равновесия, стимулирует в них процессы, стремящиеся ослабить результаты этого
воздействия.
Структура и основные направления развития экологии, ее теоретические основы, законы, процессы и явления детально рассмотрены в многочисленных монографиях и учебных пособиях, среди которых можно
выделить широко известные работы [1, 7–15]. В настоящее время принято различать общую экологию, прикладную экологию, геоэкологию,
экологию человека и др. (рис. 1.1). Наиболее развернутая структура со-
временной экологии представлена в монографии Н.Ф. Реймерса «Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы)» [7].
19
Рис. 1.1. Структура современной экологии (в упрощенном виде)
по Н.Ф. Реймерсу [7]
Особо отметим книгу В.Д. Федорова и Т.Г. Гильманова «Экология» [3], которая по всеобщему признанию и до настоящего времени
представляет собой лучший учебник по курсу общей экологии, изданный в нашей стране. В ней удивительно сочетаются строгость
изложения предмета с широтой охвата основных идей, положений и
методов экологии на базе накопленного в течение длительного времени богатого научного и экспериментального материала, начиная с
первых работ Э. Геккеля и кончая исследованиями второй половины
прошлого столетия.
Обратим внимание на то, что научные дискуссии относительно
классификации, содержания целого ряда разделов и приложений современной экологии, а также и формулировок еще не устоявшихся
понятий и терминов продолжаются, хотя вполне очевидно следующее: фундаментом экологии и ее многочисленных направлений яв-
ляется учение об экосистемах, общих закономерностях функционирования, развития и трансформации биосферы в целом. Кроме того,
хотелось бы сразу высказаться по поводу интерпретации как самог
о
термина, так и новой области науки «глобальная экология» предложенной А.М. Никаноровым и Т.А. Хоружей в учебном пособии с тем
же названием [12]. Кажется, что здесь явная ошибка, некоторое недопонимание основных фундаментальных терминов и понятий: гло-
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]