3.2 Виды мониторинга: глобальный, региональный, национальный, локальный, медико-экологический, биологический, радиационный

Эффективность любой системы (вида) мониторинга во многом определяется его организацией, что представляет собой сложную, многоплановую задачу.

Прежде всего, сложность организации мониторинга за­висит от его уровня.

Так, например, система гидрометеорологического мони­торинга до недавнего времени насчитывала более 1800 гид­рометеостанций, около 3500 наблюдательных постов, 42 гидрометеорологические обсерватории, более 190 авиаметеорологических и около 150 аэрозольных станций. В системе используются для получения необходимой информации как национальные («Метеор», «Океан», «Прогноз» и др.), так и международные космические комплексы и аппараты. Важным вопросом организации и функционирования системы мониторинга является ее финансовое обеспечение.

В России наряду с бюджетным финансированием раз­личных служб и ведомств, осуществляющих мониторинг окружающей среды, функционирует Федеральный экологический фонд Российской Федерации (ФЭФРФ).

ФЭФРФ осуществляет финансирование по направлениям природоохранной деятельности и Федеральным целевым экологическим программам, в том числе, в его задачи входит развитие системы экологического мониторинга и его обеспечение.

Вместе с тем эффективность мониторинга окружающей природной среды во многом зависит от научного обоснования его теоретических и методологических основ, критериев оценки различных факторов и показателей антропогенных изменений и нарушений в биосфере. Решение этих вопросов существенно повысит уровень практической значимости результатов, полученных в процессе реализации программ мониторинга окружающей природной среды.

Глобальный мониторинг – это слежение за мировыми процессами и явлениями в биосфере Земли и ее экосфере, включая все их экологические компоненты (основные материально-энергетические составляющие экологических систем) и предупреждение о возникающих экстремальных ситуациях.

В условиях возрастающей нагрузки индустриальной цивилизации, загрязнение среды превращается в глобальный фактор, определяющий развитие природной среды и здоровье человека.

Загрязнение среды – это объективная реальность и ее нельзя панически бояться. (Пример – радиофобия, т.е. психическое заболевание, связанное с постоянной боязнью радиоактивного воздействия). Надо учиться жить в изменившихся условиях так, чтобы уменьшить воздействие загрязнения на свое здоровье и здоровье своих «ближних» (животных, птиц и др.). Формирование природоохранного мировоззрения – основной путь для борьбы за сохранение и улучшение качества окружающей среды.

Наземные экосистемы, неотъемлемым компонентом которых является и человек, менее изучены. Это связано со значительно более сложной организацией наземной биоты. Когда мы рассматриваем наземные экосистемы, природные или в значительной степени измененные человеком, количество внутренних и внешних взаимосвязей резко возрастает, источник загрязнения или иного воздействия становится более размытым, а его воздействие идентифицируется труднее, по сравнению с водными экосистемами. Размытыми оказываются и границы экосистем и территорий, подверженных антропогенному воздействию. Однако, именно состояние наземных экосистем, т.е. территории суши, наиболее заметно и существенно влияет на качество нашей жизни. Чистота воздуха, которым мы дышим, продуктов питания и питьевой воды, которые мы потребляем, в конечном счете, связаны с состоянием загрязнения экосистем суши. С середины 50-х годов загрязнение среды приняло глобальные масштабы – в любом месте планеты можно теперь обнаружить токсичные продукты нашей цивилизации: тяжелые металлы, пестициды и другие токсичные органические и неорганические соединения.

Создание глобальных мониторинговых систем является качественно новым этапом в развитии мониторинга и требует больших затрат. Работы над глобальными системами ведутся в рамках крупных международных программ, например программы изучения океанских процессов, разработанной НАСА, основная цель которой – понять роль океанов в формировании климата Земли. Опыт этой программы говорит о реальности создания глобальных мониторинговых систем, обеспечивающих накопление таких данных, как распределение температуры поверхности, векторы скоростей ветра над водой, радиационный баланс, газовый обмен на границе с атмосферой и т.д. На основе этих данных могут создаваться модели, позволяющие прогнозировать состояние экосистем океана.

Со времен Стокгольмской конференции ООН по проблемам окружающей среды 1972г. энвайронменталисты в основном концентрировались на проблемах загрязнения окружающей среды, уделяя основное внимание выбросам в атмосферу токсичных компонентов, таких как SO₂ и NO_X, тогда как антропогенные эмиссии СО₂ – газа нетоксичного и даже стимулирующего фотосинтез – вызывали меньший интерес [33].

Однако по мере увеличения содержания в атмосфере диоксида углерода, зафиксированного данными многих наблюдений [33–35 и мн. др.], усиливалось беспокойство по поводу возможных последствий этого процесса. Наконец, в 1985г. на Международной конференции ЮНЕП/ВМО/МСНС в Филлахе (Австрия) это беспокойство обрело формы тревожного научного прогноза: рост содержания СО₂ и некоторых малых газовых составляющих – закиси азота (N₂O), метана (СН₄), галогенпроизводных углеводородов и тропосферного озона (так называемых парниковых газов) может уже в 21 веке привести к изменению глобального климата и серьезнейшим экологическим последствиям.

Для детальной проработки проблемы парникового эффекта и подготовки доклада для Генеральной Ассамблеи ООН была создана специальная Международная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК).

Анализ развития климатических событий в эпоху современного межледниковья позволяет говорить о том, что природный климатический тренд в настоящее время направлен в сторону похолодания и предполагает в ближайшем геологическом будущем понижение температуры воздуха летом и сокращение количества осадков [36].

Однако есть и противоположная тенденция. Стремительное развитие техносферы, свидетелем которого человечество стало в 20 веке, отразилось на ходе естественного климатического процесса. Если раньше антропогенные изменения климата были лишь суммой локальных изменений (например, повышение средней температуры воздуха в городах), то сейчас они приобретают выраженный глобальный характер. Комплекс проблем, связанный с ожидаемым парниковым эффектом, в последнее время вызывает особую обеспокоенность мировой общественности.

Само явление парникового эффекта можно описать следующей принципиальной схемой:

сжигание органического топлива →

→ изменение газового состава атмосферы

(увеличение концентрации СО₂ и других парниковых газов) →

→ изменение в поглощении атмосферой длинноволновой

радиации, излучаемой поверхностью Земли →

→повышение средней глобальной температуры

Согласно прогнозам специалистов, потепление климата может произойти в десятки раз быстрее аналогичных событий в историческом прошлом планеты.

Ущерб могут претерпеть и многие широкораспространенные виды за счет потери ценных экотипов и генетического материала [37, 44, 45].

Широкомасштабные экологические последствия изменения глобального климата могут быть также связаны со сдвигом современных границ растительных зон [46, 47]. Эти сдвиги неизбежно вызовут разрыв существующих экосистем в «полосе изменений», поскольку их компоненты имеют различную миграционную способность. Вследствие этого может произойти утрата уникальных сообществ, особенно в высоких широтах, где значительному сокращению подвергнутся зоны северных пустынь, тундры и бореальных лесов. Так, в случае двукратного увеличения концентраии СО₂ возможна потеря 70 млн га бореальных лесов только в Северной Канаде [48].

Напротив, зоны саванн и пустынь могут существенно расшириться за счет субтропических и тропических лесов соответственно. Вообще для этих районов, отличающихся малым или непостоянным количеством осадков, ускоренным течением процессов ветровой и водной эрозии, а также часто стихийным характером сельского хозяйства, социально-экономические последствия антропогенного потепления могут оказаться бедственными.

Вопрос о возможном изменении продуктивности фитоценозов под воздействием повышенной концентрации СО₂ в атмосфере довольно труден: возникающие здесь эффекты оцениваются специалистами неоднозначно. Большинство исследователей прогнозирует возрастание чистой первичной продукции биосферы [52, 53, 54], ускорение процесса фотосинтеза [55] и увеличение общего запаса фитомассы (в 1,5 раза при потеплении на 1,5–2 ^оС) [36].

Однако даже если продуктивность некоторых экосистем и возрастет, происходить это будет в рамках качественно иных биогеоценотических структур и при вероятном снижении разнообразия.

Помимо прямого влияния возрастающей концентрации парниковых газов на экосистемы Земли, существуют по крайней мере два механизма «обратной связи»:

– изменения в экосистемах могут привести к изменению альбедо земной поверхности и гидрологических характеристик регионов;

– измененные экосистемы могут иметь иной характер газообмена с атмосферой, что теоретически может оказать воздействие на первопричину парникового эффекта – содержание парниковых газов в атмосфере.

Ввиду высокой взаимосвязанности различных проблем оценки глобальных изменений, вызываемых климатическими факторами, и специфически чисто научно-исследовательских подходов, целесообразно очертить определенную область знания – биоклиматологию, в рамках которой будут развиваться соответствующие направления фундаментальной и прикладной науки.

Основным объектом биоклиматологии являются взаимосвязи климатической системы и биотического компонента Земли.

В компетенцию биоклиматологии входят следующие основные вопросы:

– изучение реакций биологических систем (различного уровня организации) на изменение климата;

– оценка климатически обусловленных изменений биологических систем в общем наблюдаемом изменении состояния последних;

– исследование биологических последствий комплексного воздействия климатических факторов и других факторов среды (включая загрязнение);

– прогноз биологических последствий климатических изменений (на конкретном экологическом фоне);

– научное обоснование и методическое обеспечение программ наблюдений за биологическими последствиями климатических изменений, т.е. программ биоклиматического мониторинга.

Оценка последствий климатических изменений для биоты теоретически может осуществляться несколькими способами.

Экспериментальный метод, т.е. прямое физическое воспроизведение заданного климатического воздействия (например, хронического изменения температуры) на биологические объекты разных уровней организации и наблюдение откликов, интерпретируемых затем как следствие упомянутого воздействия. Очень жаль, что «некоторые» недооценивают важность этого метода. Основное преимущество этого подхода состоит в контролируемости прочих условий опыта, особенно при лабораторном экспериментировании (ЛИК). Именно экспериментальный метод позволяет обрести определенную уверенность в том, что зафиксированный в опыте отклик объекта действительно есть эффект изучаемого воздействия.

Недостатком же данного метода является затруднение в последующей экстраполяции результатов: отклик биологического объекта в природных условиях может существенно отличаться от такового в лаборатории.

Тем не менее, экспериментальное изучение влияния рассматриваемых процессов на биологические системы широко применяется, в частности, при исследовании прямого влияния повышенных концентраций СО₂ на урожайность сельскохозяйственных культур [56, 57].

Метод натурных исследований состоит в наблюдении за ходом климатических и биологических переменных в естественных условиях (без вмешательства экспериментатора), результаты которых интерпретируются по схеме воздействие – отклик.

Данный подход является типичным для естествознания и широко применяется в экологии, географии, геофизике, океанологии и т.д. Он имеет определенные преимущества, в частности позволяет широко использовать результаты традиционных исследований и программ мониторинга, не связанных прямо с проблемой климатических изменений и их экологических последствий.

Другой важнейший тип биоклиматологической информации предоставляет исследователям метод палеогеографических реконструкций, позволяющий, в том числе опираясь на изучение существовавших в прошлом климатических аналогов современных событий, делать прогноз на будущее. С учетом ожидаемого глобального потепления, способного значительно передвинуть границы сществующих растительных зон, палеореконструкционное направление становится особо актуальным. Используя этот метод, на наш взгляд, следует провести исследования на предмет выращиваемого культурным способом видового разнообразия растительного материала на территории Краснодарского края.

Метод математического моделирования состоит в построении математических «слепков», т.е. формальных аналогов реальных природных систем – клеток, тканей, организмов, популяций, экосистем и биосферы в целом – в сочетании с математическим же описанием внутренних и внешних связей, а также реакций компонентов системы на внешние воздействия.

Этот метод можно считать наиболее универсальным и весьма перспективным в плане создания новых научных «технологий». Возможности компьютерной реализации модели обеспечивают проигрывание самых разных сценариев, исследование моделируемой системы на устойчивость и, наконец, разработку оптимльной стратегии регулирования воздействий. Вся вновь поступающая информация может немедленно использоваться для уточнения параметров модели, которая, в идеальном варианте, должна быть постоянно действующей системой, поддерживаемой на ЭВМ, снабженной диалоговым аппаратом и блоком оптимизации стратегий, опирающейся на постоянно пополняемую базу данных. Особые перспективы в этой связи имеют, на наш взгляд, географически дезагрегированные (распределенные) модели.

Региональный мониторинг – охватывает отдельные регионы, в которых наблюдаются процессы и явления, отличающиеся от естественных по природному характеру или из-за антропогенного воздействия. То есть региональный мониторинг производит слежение за процессами и явлениями в пределах какого-то региона, где эти процессы и явления могут отличаться и по природному характеру, и по антропогенным воздействиям от фонового (базового), характерного для всей биосферы.

Импактный мониторинг – проводится в особо опасных зонах, непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ. То есть импактный мониторинг – это мониторинг региональных и локальных антропогенных воздействий в особо опасных зонах и местах.

По методам ведения выделяются следующие виды мониторинга:

– биологический (с помощью биоиндикаторов);

– дистанционный (авиационный и космический);

– аналитический (химический и физико-химический анализ).

По объектам наблюдения выделяются:

– мониторинг отдельных компонентов окружающей среды (почвы, воды, воздуха);

– мониторинг биологический (флоры и фауны).

Существуют различные подходы к классификации мониторинга (по характеру решаемых задач, по уровням организации, по природным средам, за которыми ведутся наблюдения). Отраженная на рисунке 34 классификация охватывает весь блок экологического мониторинга, наблюдения за меняющейся абиотической составляющей биосферы и ответной реакцией экосистем на эти изменения.

Таким образом, экологический мониторинг включает как геофизические, так и биологические аспекты, что определяет широкий спектр методов и приемов исследований, используемых при его осуществлении.

Как уже было отмечено, осуществление экологического мониторинга в Российской Федерации входит в обязанности различных государственных служб. Это приводит к некоторой неопределенности (по крайней мере, для общественности) в отношении распределения обязанностей госслужб и доступности сведений об источниках воздействия, о состоянии окружающей среды и природных ресурсов. Ситуацию усугубляют периодические перестройки министерств и ведомств, их слияния и разделения.

В системе официального экологического мониторинга задействованы мощные профессиональные силы. Нужен ли еще общественный экологический мониторинг? Есть ли для него место в общей системе мониторинга, существующей в Российской Федерации?

Для того, чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим уровни экологического мониторинга, принятые в России (рис. 35).

Рисунок 34 – Классификация экологического мониторинга

Рисунок 35 – Уровни экологического мониторинга

В идеальном случае система импактного мониторинга должна накапливать и анализировать детальную информацию о конкретных источниках загрязнения и их воздействии на окружающую среду. Но в сложившейся в РФ системе сведения о деятельности предприятий и о состоянии среды в зоне их воздействия по большей части усреднены или основаны на заявлениях самих предприятий. Большая часть доступных материалов отражает характер рассеяния загрязняющих веществ в воздухе и в воде, установленный с помощью модельных расчетов, и результаты замеров (ежеквартальных – по воде, ежегодных или более редких – по воздуху). Состояние окружающей среды достаточно полно описывается лишь в крупных городах и промышленных зонах.

В области регионального мониторинга наблюдения ведутся в основном Росгидрометом, имеющим разветвленную сеть, а также некоторыми ведомствами (агрохимслужба Минсельхозпрода, водно-канализационная служба и др.) И, наконец, существует сеть фонового мониторинга, осуществляемого в рамках программы МАВ (Man and Biosphere). Практически не охваченными сетью наблюдений остаются малые города и многочисленные населенные пункты, подавляющее большинство диффузных источников загрязнения. Мониторинг состояния водной среды, организованный, прежде всего, Росгидрометом и, до некоторой степени, санитарно-эпидемиологическими (СЭС) и коммунальными (Водоканал) службами, не охватывает подавляющее большинство малых рек. В то же время известно, что загрязнение больших рек в значительной части обусловлено вкладом разветвленной сети их притоков и хозяйственной деятельностью в водосборе. В условиях сокращения общего числа постов наблюдений очевидно, что государство в настоящее время не располагает ресурсами для организации сколько-нибудь эффективной системы мониторинга состояния малых рек.

Таким образом, на экологической карте ясно обозначены белые пятна, где систематически наблюдения не проводятся. Более того, в рамках сети государственного экологического мониторинга отсутствуют предпосылки к их организации в этих местах. Именно эти белые пятна могут (а часто и должны) стать объектами общественного экологического мониторинга. Практическая ориентация мониторинга, концентрация усилий на местных проблемах в сочетании с продуманной схемой и корректной интерпретацией полученных данных позволяют эффективно использовать имеющиеся у общественности ресурсы. Кроме того, эти особенности общественного мониторинга создают серьезные предпосылки для организации конструктивного диалога, направленного на консолидацию усилий всех участников.

Регламентация государственных наблюдений в сети Росгидромета

Система наблюдений в рамках государственного экологического мониторинга регламентируется самым строгим образом. Список параметров состояния окружающей среды, определяемых государственными службами, четко установлен, так же как требования к используемым средствам и методам измерений, частоте отбора проб и др.

В системе Росгидромета за качеством атмосферного воздуха населенных пунктов ведутся наблюдения со стационарных, маршрутных и передвижных (подфакельных) постов. На стационарных постах устанавливаются павильоны типа «Пост 1», «Пост 2», «Воздух», оснащенные аппаратурой для отбора проб и приборами для определения метеорологических параметров.

Для постов наблюдений в соответствии с ГОСТом 17.2.3.07-86, правила контроля воздуха населенных пунктов установлены четыре программы наблюдений: полная (ежедневные наблюдения в 1, 7, 13 и 19 часов с получением информации о среднесуточных и разовых концентрациях вредных веществ), неполная (ежедневные наблюдения в 7, 13 и 19 часов с получением информации о разовых концентрациях вредных веществ), сокращенная (наблюдения в 7 и 13 часов при температуре воздуха ниже – 45 °С в местах, где содержание примесей низкое) и суточная (непрерывный отбор проб для определения сред несуточных концентраций вредных веществ). Выбор исследуемых компонентов осуществляется в зависимости от состава и количества выбросов, класса опасности загрязняющих веществ, рассеивающей способности атмосферы конкретного района. При незначительных объемах выбросов, когда приземные концентрации близки к фоновым, наблюдения можно не проводить.

Порядок организации и проведения наблюдений за состоянием поверхностных вод определен ГОСТом 17.1.3.07-82 Охрана природы. Гидросфера. Правилами контроля качества воды, водоемов и водотоков и соответствующими методическими указаниями. Разработанная система предусматривает согласованную программу работ по гидрологии, гидрохимии и гидробиологии. Пункты наблюдений устанавливают в зависимости от хозяйственного значения водных объектов, их размеров и экологического состояния. Периодичность наблюдений определяется категорией пункта.

Пункты наблюдений первой и второй категорий устанавливают в крупных городах, в районах повторяющихся аварийных сбросов и высокой загрязненности. Пункты третьей категории устанавливаются в районах расположения городов с населением менее 0,5 млн человек (большая часть населения России проживает в малых городах), в замыкающих створах больших и средних рек и водоемов, в районах организованного сброса сточных вод, где наблюдается систематическая загрязненность воды по одному или нескольким ингредиентам (показателям).

Наблюдения за уровнем загрязнения почв носят, как правило, экспедиционный характер и выполняются в соответствии с требованиями ГОСТа 17.4.4.02-84 Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.

Унифицированная и строго регламентированная система определяет сопоставимость данных, получаемых в сети мониторинга. Однако, в ряде случаев это приводит к тому, что выполняются анализы, результаты которых не имеют особой практической ценности, в то время как реальные проблемы могут остаться вне поля зрения службы мониторинга. В соответствии с нормативами можно использовать только стандартизованные методики и выполнять анализы – в аккредитованных лабораториях. Это обязательно следует иметь ввиду и при организации общественного экологического мониторинга.

Главная задача биологического мониторинга – выявление отклика биосферы на антропогенное воздействие на самых разных уровнях живого: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, уровне сообществ. Здесь особо важны наблюдения за воздействием окружающей среды на человека, за реакцией популяций, от которых зависит благополучие экосистем, на антропогенные воздействия, за особо чувствительными или критическими популяциями по отношению к тому или иному воздействию.

В биологическом мониторинге важная роль отводится наблюдениям за возможными изменениями наследственных признаков у разных популяций, за жизнедеятельностью легкоранимых популяций – индикаторов.

Поскольку оценка качества почвы, воды и воздуха приобретает в настоящее время жизненно важное значение, необходимо определять как реально существующую, так и возможную в будущем степень нарушения окружающей среды. Для этой цели используют два принципиально разных подхода: физико-хими-ческий и биологический. Биологический подход развивается в рамках направления, которое получило название биоиндикации и биомониторинга.