Классификация систем (подсистем) мониторинга (по Ю. А. Израэлю)

Биологический мониторинг включает в себя водные и наземные экосистемы, в которых оценка состояния осуществляется с точки зрения равновесия экосистемы. В качестве объектов наблюдения могут рассматриваться природные ресурсы (ресурсный мониторинг), например, мониторинг водных, земельных и минерально-сырьевых, биологических ресурсов (охотничьи и промысловые животные, рыбы), лесные ресурсы. Атмосферный воздух в России как природный ресурс не учитывается.

Мониторинг источников и факторов воздействия - организация наблюдений в объектах окружающей среды для оценки воздействия антропогенных источников с учетом особенностей влияния отраслей промышленности и иной хозяйственной деятельности (нефтедобычи, горно-добывающих предприятий, сельскохозяйственного и мелиоративного освоения, городские агломерации и др.); вида источников (стационарных, передвижных, организованных и неорганизованных, постоянно и периодически действующих). Для источников воздействия, которые предположительно могут оказать влияние на окружающую среду, необходимо проводить оценку начального состояния компонентов природной среды, предшествующее строительству или использованию территории (фоновое или исходное состояние).

В сфере экологической, природной и техногенной безопасности различают мониторинг техногенных опасностей и воздействий, направленный на идентификацию техногенных опасностей с учетом возможных сценариев возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций, и мониторинг опасных природных процессов и явлений, направленный на раннюю диагностику проявления природный явлений, прогноз их развития и перерастания в катастрофические.

Ингредиентный мониторинг - наблюдения за источниками эмиссии, распространением и влиянием отдельных загрязняющих веществ (поллютантов - от англ. «pollution» - загрязнение), характеризующихся наибольшей токсичностью и опасной степенью риска. Такой подход оправдан для супертоксикантов (пестициды, полиароматические углеводороды, полихлорированные бифенилы и диоксины, отравляющие вещества).

Специальными объектами мониторинга, которые учитываются при осуществлении специальных программ экологического мониторинга, являются здоровье населения и общественное мнение.

Мониторинг здоровья населения можно трактовать как медико-биологический, социально-гигиенический и генетический мониторинг, потому что такой интегральный показатель, как здоровье, определяет большой круг причинно-следственных связей. В настоящее время нет достаточных свидетельств о влиянии на здоровье кратковременных воздействий средних уровней поллютантов, поступающих в окружающую среду. Удельный вес группы факторов риска, влияющих на здоровье, составляет: 49-53 % - образ жизни, 18-22 % - генетические факторы, до 10 % - медицинское обеспечение, до 20 % - факторы изменения окружающей среды.

По уровню загрязнения исследуемых территорий наблюдения разделяют на фоновый (базовый) мониторинг - наблюдения в объектах окружающей среды в условно чистых природных зонах, слежение за общебиосферными процессами и природными явлениями, получение данных о первоначальном состоянии элементов биосферы. Фоновое состояние среды в прошлом до начала воздействия человека можно восстановить по данным анализа колец старых или уже погибших деревьев, проб годовых слоев ледников, донных отложений. Это направление относится к историческому мониторингу (палеомониторинг).

Импактный мониторинг - наблюдения на локальных территориях, испытывающих высокие уровни воздействия от источников эмиссии загрязняющих веществ. Эти наблюдения ориентированы на источник загрязнения или отдельное воздействие.

В зависимости от методов, применяемых при изучении состояния окружающей среды, выделяют следующие виды мониторинга:

- физический (гелиофизический, магнитометрический, ионосферный, метеорологический, гидрологический, сейсмологический, радиометрический и др.);

- химический (гидрохимический, биогеохимический и др.);

- биологический (ботанический, зоологический, микробиологический и др.);

- дистанционный (использование возможностей средств измерений, установленных в труднодоступных местах Земли, на летательных аппаратах и искусственных спутниках Земли, показания которых передаются в центры наблюдения с помощью методов дальней передачи информации).

В зависимости от масштаба территории, охваченной наблюдениями, мониторинг разделяют на уровни:

Детальный мониторинг является низшим иерархическим уровнем мониторинга окружающей среды, реализуемого в пределах небольших территорий (промышленных зон предприятий, инженерных сооружений, хозяйственных комплексов, месторождений и т. д.). Детальный мониторинг является важнейшим звеном в системе более высокого уровня - локального и регионального.

Локальный мониторинг осуществляется на территории, характеризующейся высокой степенью загрязнения (населенные пункты, участки организованных сбросов загрязненных стоков в водные объекты и т. д.). Локальные системы объединяются в более крупные - системы регионального мониторинга.

Региональный мониторинг проводится в пределах административных или природно-климатических границ региона, с учетом видов и интенсивности техногенного воздействия. Системы регионального мониторинга (краевые, областные) объединяются в единую национальную сеть мониторинга.

Национальный мониторинг обеспечивает получение информации о состоянии окружающей среды и природных ресурсов в национальных масштабах.

Глобальный мониторинг окружающей среды - мониторинг изменений объектов природной среды и компонентов экосистем в планетарном масштабе, прогнозирование возможных изменений общемировых процессов и явлений, включая антропогенное воздействие на биосферу в целом.

1.2 Экологический мониторинг глобальных преобразований биосферы

Понятие «биосфера» было разработано Вернадским в 20-х годах прошлого века.

Биосфера - это та часть Земли, в которой обитают и размножаются живые организмы. В биосферу входит часть твердой оболочки Земли - литосферы, водной оболочки - гидросферы, и газовой оболочки - атмосферы. Круговорот различных веществ в биосфере в сумме образует мощный круговорот элементов между литосферой, гидросферой и атмосферой - так называемый биогеохимический цикл. Основные циклы - углерода, фосфора, азота, кальция и др. Биогеохимические циклы для наиболее важных компонентов в общих чертах определены: известны источники, направления обмена элементами между организмами и резервуарами. Но до настоящего времени количественные характеристики этих циклов определены только в самых общих чертах. Трудности количественных оценок связаны со сложностью и изменчивостью процессов.

Понимание того, что все элементы биосферы являются связанными друг с другом, необходимость использовать природные компоненты для организации жизни и возможность влиять на элементы биосферы в нужном человеку направлении приводит к необходимости постоянного изучения биосферы, слежения за отдельными компонентами.

Потребности информации для оценки состояния и управления экосистемами оцениваются на разных пространственных уровнях. На глобальном, планетарном уровне оцениваются общие размеры экосистемы, ее современная динамика, влияние на другие экосистемы. Для леса, например, это размер лесного покрова, темп обезлесивания территории, изменения биоразнообразия и гидрологических циклов, влияние лесной растительности на круговорот углерода и климатические процессы. На национальном, региональном и локальном уровне задачи мониторинга соответственно разукрупняются и детализируются. Для получения информации для разных уровней мониторинга необходима информация разного пространственного масштаба и повторяемости во времени. В частности, пространственная дифференциация данных следующая. Масштаб 1: 5 млн - 1:10 млн (1 см- 50 км и 1см-100 км) - анализ глобальных и субглобальных процессов, например, цикл углерода, сценариев глобального изменения климата. Масштаб 1:1 млн- 1:2500000 (1см-10 км и 1см-25 км) - региональный уровень. Масштабы 1:100000- 1:500000 (1см-1 км и 1см-5 км) и 1:10000-1:50000 (1см-100 м и 1см-500 м) - на локальном уровне.

Каждому из уровней соответствует конкретная задача, также как анализ на всех уровнях может быть необходим для решения глобальной проблемы.

В иерархии методов ДЗ съемке с космической орбиты отводится верхний, обзорный уровень исследований. Следующий уровень представлен съемками с высоколетящих самолетов («потолок» ~ 20 км; примером является самолет типа Локхид У-2). Далее следует съемка с самолетов, имеющих потолок 2-10 км. Наиболее ближний к Земле уровень представлен легкомоторными самолетами и вертолетами.

Дистанционное зондирование - сбор информации с помощью приборов, установленных на вертолетах, самолетах, спутниках. Дистанционное зондирование - это получение информации об объекте по данным измерений, сделанных на расстоянии от объекта, то есть без прямого контакта с объектом.

Процессы, происходящие в биосфере в целом и отдельных ее составляющих, характеризуются масштабностью и динамичностью; в этой связи наземные методы сбора информации зачастую не позволяют получать данные с требуемой оперативностью (что особенно важно при анализе стихийных бедствий). Зондирование из космоса дает информацию, в зависимости от используемой системы, с периодичностью от двух недель до суток и часов.

Другим аспектом проблемы является необходимость контроля больших территорий; наблюдения из космоса позволяют получать информацию, обобщающую процессы на уровне региона, континента, планеты Земля. Существенно, что данные из космоса стоят дешевле наземных. Таким образом, Дистанционное зондирование представляет основной метод мониторинга биосферы.

Примеры проблем, требующих применения зондирования из космоса:

продуктивность биосферы и ее составляющих (продуктивность агроценозов, лесов, водоемов);

мониторинг пожаров;

мониторинг антропогенного воздействия;

мониторинг воздействия на биосферу глобальных изменений климата.

Традиционный сбор информации об экосистемах - это наземные методы измерений и оценок состояния экосистем. Дистанционные и наземные методы взаимно дополняют друг друга. Наземные измерения необходимы для дешифрирования, интерпретации данных, получаемых с космической орбиты.

Наземные методы сбора информации не позволяют получать информацию в таких пространственных масштабах и с необходимой оперативностью, в особенности при анализе стихийных бедствий. Большое значение для решения задач мониторинга имеет получение информации о земной поверхности из космоса, обобщенной на уровне региона, континента, планеты в целом, то есть дистанционное зондирование.