Региональные проблемы, связанные с составом атмосферного воздуха, необходимо рассматривать без отрыва от особенностей человеческой деятельности и природных условий.

Несмотря на различия климата, метеорологических, природных и ландшафтных условий существует много общего в составе и в закономерностях атмосферных процессов в урбанизированных регионах. Именно это позволяет обсуждать проблему с детерминистических позиций и осуществлять мониторинг, который, как говорилось, состоит из трех этапов: наблюдения, оценки и прогноза состояния атмосферы городов, пригородных регионов и переходных зон между местами активной человеческой деятельности и местами ее полного отсутствия.

Одним из основных по массе ЗВ является углекислый газ. Вместе с кислородом это один из биогенов атмосферы, который в основном контролируется биотой. В XX в. наблюдался рост концентрации С0 2 , которая в течение века увеличилась почти на 25 %.

Вклад России в выбросы углерода в атмосферу весьма велик и составляет около 800 млн т/год, т. е. несколько менее 13 % общего количества выбрасываемого в атмосферу углерода. Одной из причин увеличения концентрации С0 2 является вырубка леса - около 50 млн т/год, другая причина - потери гумуса на пашне - около 80 млн т/год. На осушенных территориях идет «сгорание торфа» за счет деятельности грибов и микроорганизмов (площадь осушения составляет 6,2 млн га), однако ежегодный выброс углерода оценить трудно. Также трудно оценить выбросы диоксида углерода в результате его частичного высвобождения из холодных ловушек заболоченных территорий России, но величина может достигать сотен миллионов тонн в год.

Процессы, идущие на заболоченных и переувлажненных территориях Севера России, способствуют и выбросам другого парникового газа - метана СН 4 , так как в результате антропогенного воздействия нарушается деятельность бактериального «метанового фильтра» в увлажненных грунтах. Другим источником метана служат утечки газов из скважин по добыче нефти и газа (главным образом, в Западной Сибири).

Важным парниковым газом (группой газов) являются хлорфто- руглероды - газы чисто антропогенного происхождения. Диоксид углерода, метан и хлорфторуглероды обеспечивают, соответственно, 49, 19 и 14 % возможного парникового эффекта.

Ведущая роль в выбросах парниковых газов принадлежит С0 2 , главным источником которого является энергетический сектор - сжигание ископаемого топлива (рис. 2.1). Некоторое уменьшение доли оксида азота N 2 0 в общем выбросе связано с уменьшением использования азотных удобрений, обусловленным экономическим положением сельхозпроизводителей.

Рис. 2.1. Антропогенный выброс парниковых газов в РФ без учета землепользования, изменений землепользования и лесного хозяйства

В 123 городах (54,2 млн человек, что составляет 52 % городского населения России) население находится под воздействием высокого и очень высокого загрязнения воздуха, из них в 13 субъектах (Москва, Санкт-Петербург, Астраханская, Новосибирская, Омская, Оренбургская, Самарская и Свердловская (и Екатеринбург) области, Камчатский и Хабаровский края, Чувашская Республика, Республика Хакасия и Таймырский АО) - более 75 % городского населения.

Приоритетный список городов России с очень высоким уровнем загрязнения воздуха (ИЗА > 14) в 2012 г. включал 28 городов с общим числом жителей в них 19,1 млн человек (рис. 2.2), а в 2013 г. - 30 городов с общим числом жителей в них 18,7 млн человек.

Почти во всех городах очень высокий уровень загрязнения связан со значительными концентрациями бенз(а)пирена, формальдегида, взвешенными веществами, диоксидом азота и фенолом (табл. 2.1).

В Приоритетный список вошли три города с предприятиями нефтехимической промышленности и нефтепереработки, шесть городов - с предприятиями цветной металлургии и химической промыш-

Число городов (%), где уровень загрязнения очень высокий (ИЗА>14) , высокий (7-13) . повышенный (5-6) , низкий (

Рис.

Таблица 2.1. Тенденция изменений средних концентраций примесей в городах РФ за период 2008-2012 гг.

ленности. Во многих городах определяющий вклад в загрязнение вносят предприятия ТЭК и автотранспорт.

Потоки воздуха разносят поллютанты далеко за пределы городов и промышленных зон, в результате чего ЗВ обнаруживаются на территории России практически повсеместно. Региональные особенности фонового загрязнения атмосферы на территории России соответствуют распределению населения и промышленности: наибольшим оно является в Европейской части, а в Сибири и на Дальнем Востоке, как правило, на порядок ниже.

На основной части территории России не отмечается значительного распространения кислых осадков (pH талых вод обычно составляет 5,5-6,0), которые выпадают в основном на северо-западе Европейской части России - в Карелии и на Кольском полуострове.

Организация наблюдений за уровнем загрязнения атмосферы в городах и населенных пунктах осуществляется в соответствии с ГОСТ 17.2.3.01 - 86 «Охрана природы. Атмосфера. Правила конт­роля качества воздуха населенных пунктов». Наблюдения за уров­нем загрязнения атмосферы производятся на посту , представляю­щем собой заранее выбранное для этой цели место (точку местно­сти), на котором размещается павильон или автомобиль, обору­дованный соответствующими приборами.

Посты наблюдений устанавливаются трех категорий: стационар­ные, маршрутные и передвижные (подфакельные).

Стационарный пост предназначен для обеспечения не­прерывной регистрации содержания загрязняющих веществ или регулярного отбора проб воздуха для последующего анализа. Из числа стационарных постов выделяются опорные стационарные посты, которые предназначены для выявления долговременных измерений содержания основных и наиболее распространенных специфических загрязняющих веществ.

Маршрутный пост предназначен для регулярного отбора проб воздуха в том случае, когда невозможно (нецелесообразно) установить пост или необходимо более детально изучить состоя­ние загрязнения воздуха в отдельных районах, например в новых жилых районах.

Передвижной (подфакельный) пост служит для отбора проб под дымовым (газовым) факелом с целью выявле­ния зоны влияния данного источника промышленных выбросов.

Стационарные посты оборудованы специальными павильона­ми, которые устанавливают в заранее выбранных местах. Наблюде­ния на маршрутных постах проводятся с помощью передвижной лаборатории, оснащенной необходимым оборудованием и прибо­рами. Маршрутные посты также устанавливают в заранее выбран­ных точках. Одна машина за рабочий день объезжает 4...5 точек. Порядок объезда автомашиной выбранных маршрутных пестов дол­жен быть одним и тем же, чтобы определение концентраций при­месей проводилось в постоянные сроки. Наблюдения под факелом предприятия также ведутся с помощью специально оборудован­ной автомашины. Подфакельные посты представляют собой точ­ки, расположенные на фиксированных расстояниях от источника. Они перемещаются в соответствии с направлением факела обсле­дуемого источника выбросов.

Каждый пост независимо от категории размещается на откры­той, проветриваемой со всех сторон площадке (на асфальте, твер­дом грунте, газоне).

Стационарный и маршрутный посты организуются в местах, выбранных с учетом обязательного предварительного исследова­ния загрязнения воздушной среды города промышленными выбро­сами, выбросами автотранспорта, бытовыми и другими источ­никами, а также с учетом изучения метеорологических условий рассеивания примесей путем эпизодических наблюдений и расче­тов полей максимальных концентраций примесей. При этом сле­дует учитывать повторяемость направления ветра над территорией города. В определенных направлениях выбросы от многочисленных предприятий могут создавать общий факел, соизмеримый с факе­лом крупного источника. Если повторяемость таких направлений ветра велика, то зона наибольшего среднего уровня загрязнения будет формироваться на расстоянии 2...4 км от основной группы предприятий, причем иногда она может располагаться и на окра­ине города. Для характеристики распреде­ления концентрации примеси по городу посты необходимо уста­навливать в первую очередь в тех жилых районах, где возможны наибольшие средние уровни загрязнения, затем в административ­ном центре населенного пункта и в жилых районах с различными типами застройки, а также в парках и зонах отдыха. К числу наи­более загрязненных районов относятся зоны наибольших максимальных разовых и среднесуточных концентраций. Эти концентрации создаются выбросами промышленных предприятий. Такие зоны находятся на расстоянии 0,5... 2 км от низких источников выбросов и 2... 3 км от высоких. Такие концентрации могут создавать также магистрали интенсивного движения транспор­та, поскольку влияние автомагистрали обнаруживается лишь в непосредственной близости от нее (на расстоянии 50... 100 м).

Регулярные наблюдения на стационарных постах проводятся по одной из четырех программ наблюдений: полной (П), неполной (НП), сокращенной (СС), суточной (С).

1.Полная программа наблюдений предназначена для по­лучения информации о разовых и среднесуточных концентрациях. Наблюдения в этом случае выполняются ежедневно путем непре­рывной регистрации с помощью автоматических устройств или дискретно, через равные промежутки времени, не менее четырех раз при обязательном отборе проб в 1, 7, 13и19ч по местному декретному времени.

2.По неполной программе наблюдения проводятся с це­лью получения информации о разовых концентрациях ежедневно в 7, 13 и 19 ч местного декретного времени.

3.По сокращенной программе наблюдения проводятся с целью получения информации только о разовых концентрациях ежедневно в 7 и 13 ч местного декретного времени. Наблюдения по сокращенной программе допускается проводить при температуре воздуха ниже 45 °С и в местах, где среднемесячные концентрации ниже 1/20 максимальной разовой ПДК или меньше нижнего пре­дела диапазона измерений концентрации примеси используемым методом.

Допускается проводить наблюдения по скользящему графику: в 7, 10 и 13 ч - во вторник, четверг и субботу, в 16, 19 и 22 ч - в понедельник, среду и пятницу. Наблюдения по скользящему гра­фику предназначены для получения информации о разовых кон­центрациях.

4.Суточная программа отбора проб предназначена для по­лучения информации о среднесуточной концентрации. В отличие от полной программы наблюдения в этом случае проводятся пу­тем непрерывного суточного отбора проб, при этом исключается получение разовых значений концентрации. Все программы на­блюдений позволяют получать информацию о среднемесячных, среднегодовых и средних концентрациях за более длительный период.

Мониторинг атмосферного воздуха — комплексная система наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, определение наличия и концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, а также прогноз состояния атмосферного воздуха, его загрязнения (закон «Об охране атмосферного воздуха»).

Без пищи человек может прожить несколько недель (если он пьет воду), без воды — несколько дней, а вот без воздуха человек не проживет и несколько минут. Воздух — важнейшая составляющая окружающего мира, столь необходимая для жизни человека. Любые вредные вещества, попадающие в воздух в результате природных процессов или в результате хозяйственной деятельности человека, даже если они и присутствуют в малых концентрациях, могут нанести большой, а часто даже непоправимый вред здоровью человека. Этим объясняется повышенное внимание к проблеме загрязнения воздуха и необходимость организации мониторинга атмосферного воздуха.

Основными загрязнителями являются постоянно функционирующие объекты коммунального хозяйства населенных пунктов (теплоэлектростанции и мусоросжигающие заводы), промышленные предприятия, а также ежегодно увеличивающийся поток автотранспорта. В настоящее время доля выбросов от автотранспорта составляет 80% от общего объема выбросов основных загрязняющих веществ. Атмосферный воздух населенных пунктов содержит коктейль из частичек пыли различного размера и диаметра, окислов азота, окислов серы и углерода, углеводородов и альдегидов и еще более сотни наименований химических веществ, обладающих раздражающим, аллергенным, канцерогенным и многими другими биологическими эффектами. Наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха города вносят диоксид азота, формальдегид и фенол.

Контроль качества атмосферного воздуха
В принципе, контроль загрязнений атмосферного воздуха — это контроль последствий произошедшего процесса загрязнения воздуха. Идеальная картина — нет источников загрязнения, нет самого загрязнения. К сожалению, на практике реализация такой ситуации невозможна. Но необходимо стремиться максимально реализовать такую ситуацию. Для этого необходим постоянный жесткий контроль над выбросами вредных веществ в атмосферу в процессе хозяйственной деятельности человека. Этой цели служат приборы для контроля промышленных и транспортных газовых выбросов. Эти приборы находятся на передней линии защиты атмосферы от вредных выбросов, они напрямую контролируют источники загрязнения воздуха. Эффективное использование этих приборов часто позволяет оптимально настроить производственный процесс и существенно снизить уровень вредных выбросов в атмосферу.

Приборы для мониторинга атмосферного воздуха

Приборы для мониторинга атмосферного воздуха — устройства, непосредственно контролирующие качество воздуха, вдыхаемого человеком. Предельно допустимые среднесуточные концентрации многих газовых загрязняющих компонентов находятся в области малых концентраций — единицы и десятки мкг/м 3 . Этим объясняются высокие требования к точности, чувствительности и стабильности этих приборов.

Измеряемые параметры:

• Массовая концентрация диоксида углерода (СО2) и загрязняющих веществ: окислов азота (NO/NO 2 , аммиака (NН 3), оксида углерода (СО), диоксида серы (SO 2), сероводорода (Н 2 S), суммы углеводородов (ΣСН) в пересчете на метан, метана (СН 4) и суммы углеводородов за вычетом метана (ΣNСН), озона (О 3), формальдегида (СН 2 О), органических и серосодержащих соединений;
• Массовая концентрация взвешенных частиц (пыли);
• Метеорологические параметры: скорость и направление ветра, температура и относительная влажность окружающего воздуха, атмосферное давление, количество осадков.

АО «ОПТЭК» предлагает хемилюминесцентные, электрохимические и оптические анализаторы качества воздуха , а также измерительные комплексы для непрерывного автоматического определения качества воздуха (мониторинга атмосферного воздуха).

Газоанализаторы для мониторинга атмосферного воздуха могут быть как однокомпонентными:

• (О 3), (О 3), (NO 2), (SO 2), (SO 2), (H 2 S), (NH 3), (CO), (СО 2), (СО), (формальдегид),

так и многокомпонентными:

• (NO,NO 2), (H 2 S,SO 2), (NH 3 , NO, NO 2).

Для комплексного решения задач атмосферного мониторинга «ОПТЭК» выпускает измерительный комплекс «СКАТ», включающий в себя собственно газоанализаторы (от 2-х до 12 измерительных каналов), приборы для измерения аэрозольной составляющей атмосферы, устройства для сбора, регистрации, обработки и хранения полученных данных. Измерительный комплекс «СКАТ» может быть размещен на стационарных, маршрутных и передвижных постах наблюдения за уровнем загрязнения атмосферы. В измерительном комплексе «СКАТ» решена задача по обеспечению непрерывного режима работы всех устройств, предусмотрены типичные нештатные ситуации, например, кратковременные отключения электропитания. Собранная информация может храниться в автономном регистраторе данных, передаваться на сервер объединения и хранения данных. Пользователь может получать информацию с измерительного комплекса «СКАТ» посредством Internet, локальных сетей, GSM или телефонных каналов.

Рассмотрим системный подход к анализу данных наблюдений в различных программах мониторинга и выявим, какие особенности вносит фактор географического масштаба наблюдений в исполнение той или иной программы.

Мониторинг источников

Состав газовых выбросов в источнике полностью определяется в качественном и количественном отношениях технологией и ее совершенством. Уровни концентраций ЗВ в источнике превышают ПДК СС в десятки тысяч раз. Аналитическая задача не сложна, поскольку состав известен и достаточно стабилен, а уровни концентраций высоки и не требуют предварительного концентрирования пробы. Все трудности связаны с взятием представительной пробы из источника, поскольку газовые потоки часто гетерогенны, нагреты до высокой температуры и неоднородны по времени и диаметру газохода. Здесь перспективны неконтактные методы анализа, не требующие взятия проб. Данный уровень мониторинга в этом пособии не рассматривается.

Импактный мониторинг

Состав и уровни концентраций в значительной мере (но не полностью) определяются технологиями производств, создающих загрязнение. В данном случае физико-химические процессы в окружающей среде и метеорологические условия начинают играть существенную роль в создании наблюдаемых уровней концентраций ЗВ. Последние иногда превышают ПДК СС в десятки раз. Наблюдается тесная связь между расположением источников, их характеристиками, направлением и скоростью ветра и полями концентраций ЗВ. Наблюдения осуществляются на стационарных, передвижных и подфакельных постах (см. раздел 4.4).

Региональный мониторинг

Значительное удаление от предприятий приводит к тому, что уровни концентраций ЗВ оказываются ближе к фоновым, обычно в пределах ПДК СС или даже ниже. Аналитическая задача усложняется не только вследствие необходимости предварительного концентрирования примесей, но и сильной вариабельности их величин и качественного состава. Мониторинг в этом случае относится к аэроаналити- ческим задачам, в которых роль воздушных течений исключительно велика. Необходим учет всей региональной деятельности, включая и сельскохозяйственную, при этом прямую связь между загрязнением атмосферы и конкретными технологиями установить нелегко. Обычно приходится иметь дело с целым рядом вторичных веществ, возникших в результате фотохимических и биологических процессов.

Региональный мониторинг дает возможность стыковать данные импактного и глобального фонового мониторинга, а также позволяет выявить основные пути распространения ЗВ на большие расстояния. Непосредственные сведения о состоянии загрязнения атмосферы на региональном уровне могут быть получены по данным наблюдений в небольших населенных пунктах, расположенных вдали от крупных городов, при условии, что источники загрязнения воздуха в этих пунктах отсутствуют. Сведения о региональном фоновом загрязнении атмосферы получают также из данных сети постов наблюдений за трансграничным переносом загрязняющих веществ.

Наблюдения за трансграничным переносом загрязняющих веществ проводятся в рамках «Совместной программы наблюдения и оценки распространения загрязнителей воздуха на большие расстояния в Европе - ЕМЕП» (Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the Long-range Transmission of Air Pollutants in Europe - ЕМЕР) на четырех станциях ЕМЕП, расположенных в СевероЗ-ападном регионе и Центральной части России. Работы по программе ЕМЕП предусматривают регулярный анализ содержания в атмосфере и атмосферных осадках химических соединений, определяющих кислотно-щелочной баланс, а также оценку концентраций и нагрузок соединений серы и азота в СевероЗ-ападном и Центральном районах России.

По данным наблюдений доминирующим кислотным анионом для российских станций ЕМЕП является сульфат-ион. Средние величины концентраций и выпадений ЗВ, определяющих трансграничное загрязнение, относительно невелики и по существующим представлениям не могут вызвать заметных негативных экологических эффектов.

Для осуществления программы мониторинга кислотных выпадений и их воздействия на состояние природных экосистем в восточной части азиатского континента и архипелагов в западной части Тихого океана создана «Сеть мониторинга кислотных осадков в Восточной Азии - EANET» (Acid Depisition Monitoring Network in East Asia). На территории России действуют четыре станции мониторинга, три из которых расположены в Байкальском регионе и одна в Приморском крае. Постоянные измерения на станциях EANET на территории России проводятся с 2001 г., по данным наблюдений на всех российских станциях EANET в воздухе среди газовых примесей преобладало содержание S0 2 .

Снежный покров как индикатор регионального загрязнения

воздуха

В региональных системах мониторинга атмосферного воздуха большое внимание уделяется наблюдениям за степенью загрязнения снежного покрова. Это и понятно, поскольку его загрязнение исключительно четко коррелирует с загрязнением атмосферного воздуха и несет информацию о «сухих» и «мокрых» выпадениях.

На примере свинца, ртути и меди установлены достоверные корреляции, выраженные следующими уравнениями регрессии:

IPbJ в почве = 1324 [РЬ] в атмосферном воздухе + 6,3.

ПДК РЬ в воздухе (0,3 мкг/м 3) соответствует концентрация в почве 400 мг/кг;

[Си] в почве = 526 [Си] в атмосферном воздухе + 457.

ПДК Си в воздухе (2,0 мкг/м 3) соответствует концентрация в почве 1500 мг/кг;

В почве = 1,3 в атмосферном воздухе + 0,01;

ПДК Hg в воздухе (0,3 мкг/м 3) соответствует концентрация в почве 0,4 мг/кг.

В настоящее время в нашей стране организована система мониторинга снежного покрова, функционирующая на базе сети снегомерной съемки. Последняя проводится Росгидрометом как часть программы получения данных для Государственного водного кадастра (ГВК), одна из целей которого - учет всех запасов поверхностных вод страны.

Снегомерная съемка издавна использовалась для определения запасов влаги в почве, что необходимо знать при сельскохозяйственных работах. На территории России ранее функционировало около семи тысяч снегомерных пунктов, поэтому придание им новой функции - измерения концентрации приоритетных ЗВ - стало совершенно естественным дополнением к их работе.

Достоинства мониторинга снежного покрова состоят в следующем:

• отбор проб весьма прост и не требует специального оборудования;
• послойный отбор проб позволяет определить историю загрязнения воздушной среды на протяжении всего снежного сезона;
• снег самым естественным образом обеспечивает концентрирование примесей по сравнению с воздушной средой, что упрощает последующую задачу анализа примесей;
• только одной пробы на максимуме влагосодержания достаточно, чтобы получить среднеинтегральные концентрации приоритетных примесей за снежный период;
• мониторинг снежного покрова дает возможность оценить величину трансграничного переноса серы и азота аммонийного.

Из семи тысяч упомянутых пунктов снегомерной съемки 560 производят химический мониторинг. Плотность сети в европейской части России - один пункт на 8000 км 2 , в азиатской части - один пункт на 30 тыс. км 2 . Мониторинг охватывает практически всю площадь РФ - 18,3 млн км 2 .

Отбор проб производится один раз в год на максимуме влагосодержания. В различных регионах России время взятия пробы меняется. Например, в Московской области проба берется во 2-й или в 3-й декаде марта, а на острове Диксон - в 3-й декаде апреля или даже во 2-й декаде мая.

Наблюдения организованы за следующими катионами и анионами: Na, К, Mg, Са, NH 4 , СГ, NO3, S0 4 2 “, НСО3 и pH. Около 30 % пунктов дают информацию о тяжелых металлах и полиароматических углеводородах.

Наиболее плотная сеть пунктов наблюдения была создана в густонаселенных регионах, а также вдоль западной границы СССР. Эти пограничные станции были ответственны за осуществление мониторинга трансграничных переносов. Около 40 % пунктов оценивают загрязненность снега вокруг городов, 40 % - контролируют распространение ЗВ от промышленных центров в более чистые регионы, а 20 % - выполняют функции фонового мониторинга. Наибольшая частота проявления закисления снежного покрова (pH = 4,0-5,6) составляет 42 % в регионах Урала и 54 % на Севере Западной Сибири. На севере Европейской территории России закисление отмечается в 26 % случаев.

Границы распространения снежного покрова на обширных территориях можно фиксировать и с помощью космической информации. Для изучения динамики изменения снежных площадей снимки делают повторно, несколько раз. Оперативное картографирование снежного покрова и скорость отступания его границ в весенний период традиционно используются для решения практических задач, прежде всего для гидрологических прогнозов.

Средствами гидрологического моделирования определяется во- дозапас, осуществляется прогноз стока, снегового половодья в бассейнах рек. Ряд параметров для этого - площадь бассейна реки, покрытая снегом, лесистость, распаханность и др. - можно получить дистанционными методами, а некоторые параметры оценить косвенно. Например, зоны, охваченные снеготаянием, выявляются в ближнем ИК-диапазоне спектра, а мощность снежного покрова рассчитывается по ряду последовательных снимков, скорости продвижения границ снегонакопления и температуре воздуха.

Оперативные данные о снегозапасе бассейнов рек служат основой для принятия решений, например, о частичном спуске водохранилищ в период весеннего снеготаяния для предотвращения паводков. В перспективе планируется перейти к определению из космоса мощности снежного покрова средствами микроволновой радиометрической съемки. Тем самым будет возможно для бассейнов крупных рек напрямую получать карты снегозапаса, а имея данные о плотности снега, - водозапаса снежного покрова.

Сезонный снежный покров играет исключительную роль в процессах саморазвития горных регионов, определяет формирование и режим речного стока, оледенения и снежных лавин. Оказывая существенное воздействие на климат, он сам служит индикатором изменения климата.

Карты распределения снежного покрова, полученные по результатам дистанционного зондирования, помогают понять пространственные особенности и взаимосвязи ледниковых систем, оценить вклад разных факторов в формирование ледников и условий их существования. Точную информацию о режиме, распределении и изменчивости снежного покрова необходимо иметь для успешной реализации водохозяйственных мероприятий и регулирования водных ресурсов в бассейнах рек горных территорий при имеющемся дефиците воды в степной зоне.

Снег является хорошим индикатором распространения загрязнений вокруг крупных городов. Загрязняющие вещества выпадают из атмосферы в сухом виде и с осадками и накапливаются в снежном покрове на больших расстояниях от источников - промышленных предприятий, транспортных коммуникаций и т. п. Загрязнение снега влияет на яркость изображения на космических снимках, что дает возможность вместе с результатами обработки проб снега картографировать площади и интенсивность загрязняющих воздействий.

Наиболее ощутимы различия в характеристиках снежного покрова в городах и на фоновых территориях весной, хотя закладываются они еще зимой. При снеготаянии эти контрасты становятся более выраженными за счет накопления ЗВ, вытаивающих из снега (плотность тона соответствует степени загрязненности снега).

Фоновый мониторинг

Рост выбросов ЗВ в атмосферу в результате процессов индустриализации и урбанизации ведет к увеличению содержания примесей на значительном расстоянии от источников загрязнения и к глобальным изменениям в составе атмосферы, что, в свою очередь, может привести ко многим нежелательным последствиям, в том числе и к изменению климата. В связи с этим необходимо определять и постоянно контролировать уровень загрязнения атмосферы далеко за пределами зоны непосредственного действия промышленных источников и тенденцию его дальнейших изменений.

Всемирной метеорологической организацией (ВМО) в 60-е годы XX в. была создана мировая сеть станций мониторинга фонового загрязнения атмосферы (БАПМоН). Ее цель состояла в получении информации о фоновых уровнях концентрации атмосферных составляющих, их вариациях и долгопериодных изменениях, по которым можно судить о влиянии человеческой деятельности на состояние атмосферы.

Нарастающая острота проблемы загрязнения окружающей среды в глобальном масштабе привела к созданию в 1970-е гг. комитета ООН по окружающей среде (UNEP/ЮНЕП), которым было принято решение о создании Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС), предназначенной для наблюдения за фоновым состоянием биосферы в целом и прежде всего за процессами ее загрязнения.

Станции БАПМоН с 1989 г. переименованы в станции ГСА (Глобальной службы атмосферы ВМО, www.wmo.int), они ответственны за проведение наблюдений и своевременную отправку полученных первичных данных в курирующие их Управления по гидрометеорологии (УГМ) и Главную геофизическую обсерваторию (ГГО) им. А.И. Воейкова.

На УГМ возлагаются задачи обеспечения и контроля работы фоновых станций, а также внедрения на них предлагаемых для сети новых методов контроля фонового состояния атмосферы. ГГО является национальным научно-методическим центром работ по фоновому мониторингу атмосферы в рамках программы ГСА ВМО. В настоящее время на территории РФ в сеть ГСА входят пять фоновых станций - Усть-Вым (республика Коми), Шадзатмаз (Северный Кавказ), Памятная (Курганская обл.), Туруханск (Красноярский край), Хужир (о. Ольхон на Байкале).

Размещение станций

Как правило, фоновые наблюдения по специальной программе фонового экологического мониторинга проводят в биосферных заповедниках и на заповедных территориях. Ранее биосферные заповедники были расположены по всей территории СССР. В них осуществляются оценка и прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха путем анализа содержания в нем взвешенных частиц, свинца, кадмия, мышьяка, ртути, бенз(а)пирена, сульфатов, диоксида серы, оксида азота, диоксида углерода, озона, ДДТ и других хлорорганических соединений. Программа фонового экологического мониторинга включает также определение фонового уровня ЗВ антропогенного происхождения во всех средах, включая биоты. Помимо измерения состояния загрязнения атмосферного воздуха на фоновых станциях производятся также метеорологические измерения.

Информация, получаемая с фоновых станций, позволяет оценивать состояние и тенденции глобальных изменений загрязнения атмосферного воздуха. Фоновые наблюдения проводятся также с помощью научно-исследовательских судов в морях и океанах.

Считается, что для всей Земли достаточно 30-40 базовых станций на суше и до 10 - на акватории Мирового океана. Число региональных станций и их расположение должны обеспечивать достаточно быстрое выявление всех негативных тенденций в данном регионе. На территории России находится пять станций комплексного фонового мониторинга (СКФМ), которые расположены в биосферных заповедниках: Воронежском, Приокско-Террасном, Астраханском, Кавказском, Алтайском.

При организации станциий комплексного фонового мониторинга

обращают внимание на то, что их местоположение по своим ландшафтным и климатическим характеристикам должно быть репрезентативным для данного региона. Оценка репрезентативности начинается с анализа климатических, топографических, почвенных, ботанических, геологических и других материалов.

После выбора района необходимо учесть имеющиеся на данной территории источники загрязнения. При наличии крупных локальных источников (административно-промышленных центров с населением более 500 тыс. человек) расстояние до наблюдательного полигона СКФМ должно составлять не менее 100 км. Если это выполнить невозможно, то следует расположить СКФМ таким образом, чтобы повторяемость воздушного потока, обусловливающего перенос загрязняющих веществ от источника в направлении станции, не превышала 20-30 %.

СКФМ включает стационарный наблюдательный полигон и химическую лабораторию. Наблюдательный полигон составляют пробоотборные площадки, гидропосты и в ряде случаев наблюдательные скважины. На полигоне выполняется отбор проб атмосферного воздуха и атмосферных осадков, вод, почв, растительности, а также проводятся гидрометеорологические и геофизические измерения.

Площадка размером 50 х 50 м, на которой размещаются пробоотборные установки и измерительные приборы, называется опорной (базовой) площадкой фоновой станции. Она должна находиться на ровном участке ландшафта с малой степенью закрытости горизонта, вдали от строений, лесных полос, холмов и других препятствий, способствующих возникновению локальных орографических возмущений, т. е. особенностей рельефа местности. Площадку оборудуют установками для отбора проб воздуха, осадкосборниками, газоанализаторами, типовым комплектом метеорологических приборов.

Химическая лаборатория станции располагается на расстоянии не ближе 500 м от опорной площадки, в ней проводят обработку и анализ той части проб, которая не подлежит пересылке в региональную лабораторию: содержание в атмосферном воздухе взвешенных частиц (пыли), сульфатов и диоксида серы; измерение pH, электропроводности, концентрации анионов и катионов в атмосферных выпадениях.

Станции ГСА - фоновые станции подразделяют на три категории: базовые, региональные и континентальные.

Базовые станции следует располагать в наиболее чистых местах, в горах, на изолированных островах. Основной их задачей является наблюдение за глобальным фоновым уровнем загрязнения атмосферы, не испытывающим влияния никаких локальных источников.

Региональные станции должны находиться в сельской местности, не менее чем в 40 км от крупных источников загрязнения. Их цель - обнаружение в районе станции долгопериодных колебаний атмосферных составляющих, обусловленных изменениями в использовании земли и другими антропогенными воздействиями.

Континентальные станции охватывают более широкий спектр исследований по сравнению с региональными станциями. Они должны размешаться в отдаленных районах, чтобы в радиусе 100 км не было источников, которые могли бы повлиять на локальные уровни загрязнения.

Программы наблюдения на станциях

На станциях КФМ реализуется один из принципов фонового мониторинга - комплексное изучение содержания загрязняющих веществ в компонентах экосистем. В связи с этим программа наблюдений на СКФМ включает систематические измерения содержания загрязняющих веществ одновременно во всех средах (табл. 4.1), дополненные гидрометеорологическими данными.

Таблица 4.1. Список компонентов, подлежащих контролю на станциях КФМ

Компонент	Окружающая среда
	атмосфера	атмосферные выпадения	поверхностные и подземные воды
Диоксид серы
Оксид углерода
Диоксид углерода
Углеводороды
3,4-бенз(а)пирсн
Хлорорганические соединения
Хлорфторуглеводороды
Анионы и катионы
Радионуклиды
Тяжелые металлы

Перечень включенных в программу веществ составлен с учетом таких их свойств, как распространенность и устойчивость в окружающей среде, способность к миграции на большие расстояния, степень негативного воздействия на биологические и геофизические системы различных уровней.

В атмосферном воздухе подлежат измерению среднесуточные концентрации: взвешенных веществ, озона, оксидов углерода и азота, диоксида серы, сульфатов, 3,4-бенз(а)пирена, ДЦТ и других хлорорга- нических соединений, свинца, кадмия, ртути, мышьяка, показателя аэрозольной мутности атмосферы.

В атмосферных осадках подлежат измерению в суммарных месячных пробах концентрации: свинца, ртути, кадмия, мышьяка, 3,4-бенз(а)пи- рена, ДЦТ и других хлорорганических соединений, pH, анионов и катионов.

Метеорологические наблюдения включают наблюдения за:

• температурой и влажностью воздуха;
• скоростью и направлением ветра;
• атмосферным давлением, облачностью (количеством, формой, высотой);
• солнечным сиянием;
• атмосферными явлениями (туман, метели, грозы, пыльные бури и т. п.);
• атмосферными осадками (количеством и интенсивностью);
• снежным покровом (высотой, содержанием влаги);
• температурой почвы (на поверхности и в глубине);
• состоянием поверхности почвы;
• радиацией (прямой, рассеянной, суммарной и отраженной) и радиационным балансом;
• градиентами температуры, влажности и скорости ветра на высоте 0,5-10 м, градиентами температуры, влажности почвы на глубине 0-20 см;
• тепловым балансом.

В обязательную программу наблюдений на базовых станциях ГСА включены наблюдения за содержанием диоксида серы, аэрозольной мутностью атмосферы, радиацией, взвешенными аэрозольными частицами, химическим составом осадков.

На региональных станциях программа наблюдений включает измерение атмосферной мутности, концентрации взвешенных аэрозольных частиц, определение химического состава атмосферных осадков.

Программа наблюдений на фоновых станциях разных категорий может быть расширена за счет увеличения числа определяемых в атмосфере газов, в частности, малых газовых компонентов, объемная концентрация которых менее 1 % и которые, преобразуясь в атмосфере, могут превратиться в аэрозольные частицы.

Любые наблюдения по программе фонового мониторинга должны сопровождаться комплексом обязательных метеорологических наблюдений - видимости, атмосферных явлений, температуры и влажности воздуха, направления и скорости ветра, атмосферного давления. Поэтому фоновые наблюдения желательно проводить на базе метеорологических станций.

По мнению экспертов ООН, первые пять загрязняющих атмосферу веществ, подлежащих контролю, располагаются в следующем по-

Таблица 4.2. Классификация загрязняющих веществ по их приоритетности

Класс приоритетности	Примесь	Среда	Тип программы мониторинга
	S0 2 и взвешенные частицы	Воздух
	Радионуклиды (Sr 90 , Cs 137)	Пища
	Озон	Воздух	И (тропосфера)
	Хлорорганические соединения и	Биота, человек	Ф (стратосфера)
	диоксины	Биота, человек
	Кадмий
	Нитраты, нитриты	Вода, пища
	Оксиды азота	Воздух
	Ртуть	Пища, вода
	Свинец	Воздух, пища
	Диоксид углерода	Воздух
	Оксид углерода	Воздух
	Углеводороды нефти	Морская вода
	Фториды	Пресная вода
	Асбест	Воздух
	Мышьяк	Питьевая вода
	Микротоксины	Пища
	Микробиологические загряз	Пища
	нения	Воздух
	Реакционноспособные загряз
	нения

рядке: S0 2 , Оз, NO x , Pb, С0 2 (табл. 4.2). Необходимо отметить, что поступление этих веществ в приземный слой атмосферы в результате антропогенной деятельности сравнимо с естественным поступлением.

Мониторинг атмосферного воздуха - это система наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, его загрязнением и за происходящими в нем природными явлениями, а также оценка и прогноз состояния атмосферного воздуха, его загрязнения.

Объектами наблюдения являются приземный слой атмосферы и атмосферные осадки (в том числе снежный покров). Мониторинг атмосферного воздуха способствует решению следующих задач :

Сбор, анализ и обобщение информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха отдельными химическими элементами и их соединениями;

Обеспечение федеральных и местных органов государственной и исполнительной власти информацией о состоянии воздушного бассейна;

Контроль за соблюдением государственных и международных стандартов качества атмосферного воздуха; - прогнозирование перспективных изменений состояния данного воздушного бассейна;

Информирование общественности о качестве атмосферного воздуха и развертывание систем предупреждения о резком повышении уровня загрязнения.

Система мониторинга атмосферного воздуха включает в себя в подсистемы: подсистему наблюдения за качеством воздуха, и подсистему контроля.

Подсистема наблюдения за качеством атмосферного воздуха наблюдает за состоянием воздуха на обширных территориях (крупный населенный пункт, административный район и пр.). Посты наблюдения, входящие в эту подсистему, собирают информацию об общем состоянии местного воздушного бассейна, поэтому они располагаются вне зоны влияния конкретных источников выбросов (на удалении от крупных заводов, ТЭЦ, котельных и пр.).

Подсистема контроля качества атмосферного воздуха -контролирует конкретные источники загрязнения воздуха и регулирует промышленные выбросы вредных веществ в атмосферу. Поэтому посты, входящие в подсистему контроля, располагаются вблизи конкретных заводов, фабрик, ТЭЦ и т. п. Посты наблюдения за состоянием атмосферного воздуха делятся на стационарные и передвижные.

Стационарный пост наблюдения представляет собой павильон размерами около 250 метров, в котором установлен комплект газоанализаторов (для определения концентрации загрязняющих веществ в воздухе), и управляющий контроллер для передачи данных в местный вычислительный центр. На крыше павильона устанавливается мачта с метеодатчиками (для наблюдения за погодой). Кроме того, павильон обязательно оборудуется системами жизнеобеспечения (свет, вентиляция, отопление, система пожаротушения). Наблюдения на стационарном посту ведутся круглосуточно, при этом могут использоваться 2 программы наблюдения: полная и неполная.

Полная программа включает в себя ежедневные замеры параметров воздуха в 1-00, 7-00, 13-00 и 19-00 ч по местному времени. Наблюдения ведутся ежедневно, кроме воскресений; субботы чередуются.

При использовании неполной программы наблюдения проводятся ежедневно в 7-00, 13-00 и 19-00 ч, ежедневно (суббота и воскресенье чередуются).

Измеряются температура воздуха, относительная влажность, скорость и направление ветра, концентрация диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота и оксида азота, сумма оксидов азота, метан, сумма углеводородов без метана и общая сумма углеводородов.

Территория, на которой располагается стационарный пост, должна хорошо проветриваться, поэтому пост необходимо размещать вне аэродинамической тени зданий и вне зоны зеленых насаждений. Также не допускается размещение стационарных постов вблизи источников низких выбросов в атмосферу (небольших котельных, заводов с низкими трубами, АЗС и автостоянок и т.п.). Количество стационарных постов в населенном пункте зависит от числа жителей. Также при выборе количества и местоположения стационарных постов в конкретном населенном пункте необходимо принимать во внимание местный рельеф, особенности климата (роза ветров, количество штилевых дней в году и пр.), и особенности размещения жилой, промышленной и зеленой зон.

Передвижной пост наблюдения представляет собой микроавтобус, внутри которого установлены приборы для отбора проб, оборудование для анализа химического состава воздуха и компьютер для первичной обработки данных и передачи их в вычислительный центр. В зависимости от маршрута своего перемещения, передвижные посты подразделяются на маршрутные и подфакельные.

Маршрутный пост наблюдения предназначен для регулярного отбора проб воздуха в точках местности, лежащих на определенном маршруте. Например, маршрутные посты используются для контроля качества воздуха на крупных городских улицах.

Подфакельный пост наблюдения используется для отбора проб воздуха внутри дымового или газового фонаря конкретного промышленного предприятия. Пробы берутся на расстояниях в 200 м, 500 м, 1 км, 2 км, 6 км, 8 км, 10 км и 15 км от источника выбросов, при этом подфакельный пост постепенно удаляется от источника по направлению господствующего ветра.

Методы и технические средства, используемые для анализа проб загрязненного воздуха, весьма разнообразны:

1) Адсорбционный метод спектрального анализа газов основан на способности веществ избирательно поглощать часть проходящего сквозь них электромагнитного излучения. В процессе исследования получают спектрограмму для спектра поглощения; расположение пиков на ней показывает, какие именно загрязняющие вещества присутствуют в данной пробе воздуха, а высота пиков передает концентрацию соответствующих загрязнителей.

2) Пламенно-ионизационный метод основан на ионизации углеводородов в водородном пламени. В чистом водородном пламени содержание ионов незначительно, а при введении в пламя углеводородов количество ионов резко увеличивается, и под действием приложенного электрического поля возникает ионизационный ток. Его сила пропорциональна концентрации углеводородов. Прибор, используемый при этом методе анализа, называется пламенно-ионизационный газоанализатор , или анализатор углеводородов .

3) Хемилюминесцентный метод анализа основан на реакции оксида азота и озона, одновременно поступающих в реакционную камеру. В результате реакции наблюдается свечение с длиной волны от 600 до 2400 нм, с максимумом в районе 1200 нм. Интенсивность этого свечения пропорциональна концентрации оксида азота, и регистрируется фотоумножителем. В настоящее время этот метод является основным методом контроля концентрации оксидов азота в промышленных выбросах.

4) Флуоресцентный метод используется для выявления наличия в пробе воздуха сероводорода или диоксида серы. Пробу воздуха, предположительно содержащую диоксид серы, облучают ультрафиолетовым излучением с длиной волны 214 нм. Молекулы диоксида серы, возбуждаясь, начинают испускать ответное флуоресцентное излечение с длиной волны 350 нм. Интенсивность излучения пропорциональна концентрации диоксида серы и регистрируется фотоумножителем. Если проба воздуха исследуется на наличие в ней сероводорода, то предварительно сероводород окисляется до диоксида серы с помощью конвертора, входящего в состав оборудования.

5) Пламенно-фотометрический метод также используется для выявления наличия в пробе воздуха сероводорода и диоксида серы. В ходе исследования пробу воздуха помещают в пламя смеси водород+воздух, при этом молекулы диоксида серы или сероводорода восстанавливаются до молекул чистой серы, которые испускают излучение в ультрафиолетовой зоне спектра (длина волны от 360 до 440 нм).

6) Радиометрический метод - используется для анализа пробы воздуха на содержание пыли. Метод основан на ослаблении радиоактивного β-излучения частицами пыли. Используемый прибор - радиационный пылемер , состоящий из пробоотборного устройства, источника радиоактивного излучения и счетчика Гейгера.

7) Электрохимический метод основан на использовании химических сенсорных датчиков (ХСД). ХСД представляют собой пару чувствительных элементов с химическим покрытием, которое непосредственно контактирует с пробой воздуха, и на котором адсорбируется анализируемое загрязняющее вещество (оксид углерода, сероводород или диоксид серы). В зависимости от принципа функционирования, ХСД делятся на потенциометрические, кулонометрические, полярографические и т. д. Используемый прибор - электрохимический газоанализатор .

8) Метод газовой хроматографии - наиболее распространенный метод анализа проб воздуха на наличие и концентрацию загрязняющих веществ. Метод основан на разделении пробы воздуха на хроматографической колонке, заполненной сорбентом. Проходя через колонку, разные загрязняющие вещества оседают на разных участках сорбента. Используемый прибор - газовый хроматограф . Существует множество различных моделей хроматографов, как стационарных, предназначенных для использования в лабораториях и исследовательских центрах, так и переносных, входящих в комплектацию передвижных постов наблюдения за качеством воздуха.

Все восемь вышеизложенных методов анализа качества воздуха относятся к контактным методам мониторинга, то есть предполагают непосредственное лабораторное исследование пробы воздуха. Однако, наряду с ними, также широко используется и неконтактный метод мониторинга загрязнения воздуха, а именно - лидарное зондирование атмосферы . Этот метод позволяет выявить наличие в воздушной среде аэрозолей (взвешенных в воздухе частиц твердых или жидких веществ, диаметром 0,5 мкм и меньше). Суть метода состоит в том, что лазерное (лидарное) излучение по-разному рассеивается частицами разных загрязняющих веществ. Используемый прибор - лидар . Лидары могут быть как стационарные (кругового обзора), так и передвижные.

Стационарный лидар устанавливается в промышленной зоне и предназначен для непрерывного круглосуточного контроля аэрозольных выбросов в радиусе от 7 до 15 км. Также он позволяет измерять азимут и расстояние до источника выбросов. При обнаружении высокой концентрации аэрозоля в воздухе, оператор стационарного лидара подает команду на выезд передвижной лидарной установки для уточнения ситуации. Масса стационарного лидара около 3 000 кг, дальность действия - около 5 км днем, и около 7 км ночью.

Передвижной лидар устанавливается на автомобиле, и предназначен для анализа состава выбросов из конкретных дымовых труб и вентиляционных шахт, а также - для определения границ загрязненной зоны при промышленной аварии. Его вес - около 1 000 кг, дальность действия - от 500 м до 1 км.