Мониторинг отдельных загрязнителей и среды в целом

Антропогенное загрязнение среды и классификация загрязнителей. Предельно-допустимые концентрации и уровни.

Общее понятие о качестве среды.

Очевидно, что пороги экстремальных событий для большинства экосистем представляют совокупность условий. Примером сильного влияние климатических порогов на животных, является ареал девятиполосного броненосца (Dasypus novemcinctus). Животное требует больше 380 мм годовых осадков, его проживание ограничено районами, где наблюдается не более 20-24 дней с отрицательными температурами в течении года, причем не должно наблюдаться последовательно более 9 таких дней. Из Последнее требование подчеркивает, что важны является частота превышения порога.

Качество окружающей среды (комфортабельность) оценивается по степени соответствия природных условий потребностям биологического организма и выражается в их самочувствие и реакции.

1. Среда оценивается как комфортная, когда состояние организма по ряду общепринятых популяционных характеристик (продолжительность жизни, соотношение смертность/рождаемость и т.д.) находится в норме или улучшается.
2. Среда дискомфортная для организма, если ряд этих характеристик отклоняются от нормы, приводя в итоге к снижению популяции в пределах мест обитания.
3. Среда экстремальна, когда при взаимодействии с ней происходят необратимые изменения всех демографических характеристик, угрожающих популяции данного организма исчезновением как вида, отторгая индивидуумов из популяции или ведя к их гибели (примеры бабочки, броненосец, африканский слон).

Количественно качество среды можно выразить, сопоставляя параметры её наблюдаемого состояния с некими средними их значениями для комфортных условий или же значениями порогов, когда среда экстремальна.

Одним из источников дискомфорта для биосферы и самого человека, является

антропогенное «загрязнение», под которым обычно понимается неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом деятельности человека. Часто загрязнители атмосферы и гидросферы подразделяют по их воздействию на организм человека или других биологических организмов на физические, химические и биологические. К физическим относят; а) источники ионизирующей радиации; б) тепловые загрязнители, повышающие температуру; в) шумы и низкочастотные вибрации (инфразвук) г) источники электромагнитного излучения и т.д.; к химическим — а) газообразные производные углерода и жидкие углеводороды; б) моющие средства, в) пластмассы; г) пестициды и другие синтетические вещества; д) производные серы; е) производные азота; ж) тяжелые металлы; з) соединения фтора; и) твердые примеси; к) органические вещества и т.д.

Таким образом собственно загрязнителем среды может быть любой физический процесс, химический элемент, биологический организм возникший или привнесенный в среду в количествах выше его естественного уровня или естественной концентрации характерных для участка поверхности определенного масштаба.

Предельно-допустимыми концентрациями (ПДК) загрязнителя (отдельные веществ, химических соединений, субстратов, микроорганизмы) называют максимальную пороговую концентрацию, которая в независимости от продолжительности воздействия на организм не вызывает отрицательных последствий на молекулярном, организменном (онтогенетическом) и популяционном уровне вида, т.е. не сказывается на показателях его выживаемости, обмена веществ, поведения особи и популяции в целом. Для физических процессов (полей) аналогом ПДК являются предельно-допустимые уровни (ПДУ).

Подразделение загрязнителей атмосферы и других сред по типам и методам обнаружения оправдано именно тем, что облегчает установление конкретного порога жизнедеятельности человека и экосистем. Несмотря на то, что нормативы ПДК ряда веществ не точны, влияние увеличения или уменьшения концентрации химических веществ мг/м³, попадающих в организм человека с вдыхаемым воздухом, или адсорбированных водой в мг/л, продуктами питания очевидно. Колебания физических параметров среды, также вызывает негативные реакции человека, если они выходят за предельно-допустимые уровни. Биологическое загрязнение, также может быть охарактеризовано ПДУ или ПДК. Например, загрязнение микроорганизмами питьевой воды оценивается по количество кишечных палочек в пробе отнесенной к объёму пробы. Именно через систему ПДУ и ПДК устанавливается связь мониторинга загрязнения с мониторингом источников загрязнения сред, называемых предельно-допустимыми выбросы в атмосферный или сбросы в водную среду (ПДВ и ПДС). Фактически в данном случае рассматривается контроль среды (локальный мониторинг) в зоне промышленного предприятия, например металлургического комбината, ТЭЦ, транспорта и др.

В некоторых учебниках рассматриваются вопросы классификации мониторинга по типу загрязнителя. Например, ориентируясь на классификацию природы загрязнителей часто полагают, что мониторинг физических загрязнителей это обязательно физический по методам, а химических загрязнителей обнаруживается только химическим анализом. В действительности одно и тоже вещество может быть обнаружено разными способами. Например, озон О₃ - химическое вещество и его приземная концентрация в городах определяется химическим анализом, но изменение слоя озона в атмосфере обнаруживается по изменению прихода ультрафиолетовой радиации с поверхности земли, или из космоса, т.е. дистанционными физическими методами обнаружения. Аналогично, под биологическим мониторингом понимают способы обнаружения физических, химических изменений в окружающей сред, контролируя реакции биологических организмов (биоиндикаторов). С другой стороны, биологическое загрязнение или воздействие физического поля может быть обнаружено химическими методами. Совокупность химических и физических изменений в среде, вызывает отклонения здоровья у групп населения, и оценивается методами медико-экологического мониторинга, например путем составления карт заболеваемости.

Вспомним однако, что для информационной системы экологического мониторинга, источником данных является процесс взаимодействия между «живой и не живой природой». Для такого процесса классификация мониторинга по типу антропогенного загрязнителя, по методу индикации сильно упрощено и порождает ряд методологических проблем, среди которых главные заключаются в том, что:

1) загрязнители могут действовать на человека косвенно, ухудшая свойства используемых им вещей или условий отдыха и работы, т.е. изменяя условия комфортности людей в социальном и экономическом плане. К такому типу загрязнения могут быть отнесены антропогенное изменения локальной температуры и количества осадков, прозрачности воздуха (из-за увеличения концентрации аэрозолей), электропроводности воздуха (из-за действия, ионизирующих излучений) в городах, долговечности сооружений и т.д.

2) большинство источников химического или физического загрязнения атмосферы, не приводят к прямым негативным реакциям биологических организмов или среды обитания, но могут вести к неясным пока последствиям для окружающей среды. Примером такого загрязнения является эмиссия углекислого газа и водяного пара, которые к химическим загрязнителям атмосферы строго говоря отнести нельзя, поскольку сами они основные переменные компоненты атмосферы и гидросферы, их естественные колебания могут значительно превышать концентрации созданные в результате их антропогенной эмиссии. Тем не менее, эмиссия углекислого газа и пара превышает десятки и сотни раз все остальные выбросы загрязняющих веществ вместе взятые. Например, по данным Программы ООН по окружающей среде в 90х годах ежегодно выбрасывалось различных веществ атмосферы порядка 25 млрд. тонн, среди которых выделяется 22 миллиарда СО₂, а оксид углерода СО (0,3), диоксид серы (0,2), частицы пыли (0,8), оксиды азота 0,06 и углеводороды (0,08). Очевидно, что оценить выбросы водяного пара более сложно, поскольку кроме выбросов связанных с процессом горения, спектр использования воды столь велик, что требуются долговременные наблюдения всех параметров атмосферы. В ряде случаев отмечается изменение мезомасштабных условий климата, в частности изменение влажностного режима из-за мелиорации земель, строительства водохранилищ.

Влияние антропогенного загрязнения атмосферы и гидросферы для удобства можно разделить (см. рис. 4),

1) Прямое влияние токсичных газов, растворенных веществ, пыли на стабильность биогеохимические циклов в экосистемах (например, условий фотосинтеза, питания и дыхания организмов), ведущее к изменению баланса веществ участвующих в биосферных круговоротах.

2) Воздействие на абиотические компоненты биосферы (световая энергия, температура, уровни радиации и др.), определяющих физические пороги жизнедеятельности организмов. В этом случае также возможно выделить

2.а) Изменение физических характеристик атмосферы и гидросферы (температура, влажность, осадки, электропроводность и радиационные свойства, прозрачность, вязкость) связанное с прямым воздействием на данные параметры. Например «остров тепла» над городом, ионизирующие излучения от антропогенных источников и т.д.

2.б) Изменение тех же параметров, связанное с косвенным воздействием загрязнения. Например изменение концентраций переменных и малых компонент газового состава атмосферы и аэрозоли, ведут к изменениям спектра поступающей, отраженной солнечной радиации и уходящей за пределы атмосферы. Сюда же относится и изменение спектра ядер конденсации и химического состава осадков, нарушения кислотных свойств воды. Анализируя процесса таяния второго по величине ледника планеты, можно заключить, что и естественные изменения свойств атмосферы, с увеличением концентрации вулканических аэрозолей могут привести к серьезным колебаниям климата.

Наиболее сложные задачи экологического мониторинга, заключаются в прогнозе последствий антропогенных выбросов на естественные процессы в окружающей среде, выявлении в ней искусственно индуцированных процессов, определению роли каждого из загрязнителей в среде с установление комплексного порога необратимых воздействий на экосферу.

Вопросы и задачи.

1) Дайте определение следующим терминам, касающихся геоэкологических систем гомеостазис, стабильность, устойчивость, упругость. Приведите примеры.

2) Определите длины волн характерные для следующих видов электромагнитного излучения гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолет, видимое излучение, инфракрасное и радиоволновое.

3) Дайте краткие характеристики следующих слоев атмосферы: тропосфера, стратосфера, мезосфера, пограничный слой.

4) Проведите аналогии понятия о пороге экстремальности с понятиями экологической ниши в экологии, эврибионты и стенобионты в гидробиологии. В чем основное различие данных понятий.

5) Оцените, как описанные выше тенденции в снежном запасе и количестве осадков могут проявляться в колебания уровня на Южном Урале.

6) Уровень шума измеряется децибелах (dBA). Дайте развернутое определение данной единицы измерения.

7) Задача о времени выведения неконсервативного загрязнителя из среды (задача о радиоактивном распаде). Экспериментальным путем установлено, что скорость распада вещества, т.е. скорость изменения его массы m в зависимости от времени прямо пропорциональна его количеству.

Оцените время необходимое для распада неконсервативного вещества до предельно-допустимой концентрации, если начальное значение его концентрации в объеме воздуха была равна 3 ПДК, а k=0,05 c^-1.

8) Вспомните основные свойства нормального распределения. Чему равна медиана и мода такого распределения. Как определить коэффициент вариации.

₉₎ Порог экстремальности (ПДУ или ПДК) установлен для нормально распределенной величины по правилу трех сигм. Во сколько раз изменится частота экстремальных событий, если среднеквадратичное отклонение ряда выросло в 1,5 раза, при неизменном среднем X₀?_.

Решение:

Вспомним правило трех сигм: почти достоверно, что случайная величина X не отклоняется от математического ожидания X₀ ряда более, чем на 3σ. Представим, что последнее значение являются верхним +ЭП= X₀ +3σ₀, и нижним порогом -ЭП =X₀ -3σ₀ экстремального для экосистемы состояния окружающей среды. Из нормальности закона распределения следует, что вероятность того, что величина X лежит в интервале X₀ ± σ равна 68,3 %, в интервале X₀ ± 2σ равна 95,4 %, а в X₀ ± 3σ равна 99,7 %. Следовательно при начальных условиях σ₀ достижение порога +ЭП (-ЭП) возможно лишь в (100-99,7)/2=0,15% случаев. В новом состоянии среднеквадратичное увеличилось в 1,5 раза, т.е. σ₁=1,5 σ₀. Выразим σ₀ через σ₁ сама величина порога экстремальных событий от этого не меняется +ЭП= X₀ +3σ₀ = X₀ +2σ₁ . Но вероятность его превышения возросла до (100-95,4)/2=2,4 %, т.е. в 16 раз.

10) В условиях предыдущей задачи найти во сколько раз увеличится частота превышения порога, при увеличением значения среднего X₁= X₀ +σ₀ при неизменности дисперсии.

Литература.

Исаев, А.А, 2003: Экологическая климатология. М. Научный мир, 2003, 472 с.

Голубев, Г.Н, 2003: Геоэкология. М. ГЕОС, 1999, 338 c.

Справочные и учебные пособия по физике и математике, метеорологии и экологии.

Дата добавления: 2014-01-05