Экология. Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности. Часть 3
Методы биотестирования водоем^6
160
с1(усственных условиях с помощью живых организмов, таких,
^дафния (рачки), пиявки (черви), инфузории (простейшие) и
находят в настоящее время широкое применение во многих
Гранах.
Определенное распространение в настоящее время получил
^етод лихеноиндикации (от лат. Lichenes — лишайники), основан-
ий на учете количества лишайников в городских насаждениях,
„айонах крупных предприятий. Установлена однозначная связь
Обратно пропорциональная) между наличием лишайников на
стволах деревьев и «полями загрязнения» воздуха. Факт отмира-
ния деревьев при отсутствии жуков-короедов также служит биоло-
гИческим индикатором загрязнения воздуха или почвы вещества-
ми промышленного происхождения.
Для получения информации об изменениях, происходящих на
биосферном уровне, в системах национального мониторинга Рос-
сии действуют восемь «фоновых станций».
В экологическом мониторинге информативность биологиче-
ских электромагнитных излучений (ЭМИ) разных спектральных
диапазонов иногда имеет преобладающее значение перед другими
контрольными парамерами. Рассмотрим частный случай ЭМ-ин-
дикации стихийных бедствий.
При определенных условиях неравновесное состояние может
наблюдаться в объектах как живой, так и неживой природы, на-
пример очаг подготовки землетрясения на определенном этапе
представляет собой самоорганизующуюся неравновесную систему
трещин. Процессы подготовки и развития землетрясений проте-
кают в основном за счет внутренней энергии Земли. В период зем-
летрясения освобождающаяся свободная энергия Земли проявля-
йся в других ее формах и «жизнь» неорганической природы проте-
кает как бы по общим законам неравновесных систем, с той сущест-
Венной разницей, что для живых систем состояние неравновесия
Устойчиво, а для неживой природы ограничено коротким перио-
*Ч после которого вновь наступает состояние динамического
Равновесия.
В период «созревания» землетрясения реакции живых систем
ОгУт быть непосредственно связаны с изменением физико-хими-
есКих условий окружающей среды, поскольку в данном случае
йзКо возрастают информационные связи (в основном ЭМ-при-
Аы) между неравновесной системой возникающего очага земле-
Рч и находящимися в состоянии устойчивого неравновесия
системами.
(. В характере реакций большинства биопредвестников на изме-
ЧИе внешней среды, связанных с предстоящим землетрясением,
¦... • .-¦. - ¦¦ ¦,¦¦¦¦ ¦¦/¦:.¦ :,, ¦ Г\' - 161
важную роль играет нервная клетка. Например, из 100 голубей у Sn
был отсоединен от ЦНС нерв в лапке. Перед самым землетрясецй
ем здоровые голуби проявили беспокойство и взлетели, а птиць,\"
изолированными нервами взлетели только после дополнительн0°
го специального выстрела.
Механизм аномального поведения биопредвестников земде
трясений в настоящее время не раскрыт и имеет, по-видимому, ^
только ЭМ-природу. Пока биопредвестники могут являться ли\'щь
дополнительным фактором, который следует учитывать в реще.
нии актуальной комплексной проблемы прогноза землетрясений
являющимся частным случаем мониторинга биосферы.
В настоящее время широко развита и постоянно модернизиру-
ется наиболее информативная система ЭМ-мониторинга Земли
атмосферы и гидросферы методом дистанционного зондирования
(ДЗ). Для глобального обзора земной поверхности используются
спутники, выведенные на квазиполярные круговые орбиты с вы-
сотой 700—1000 км. Особенностью таких спутников является то,
что они проходят над заданной точкой земной поверхности всегда
в одно и то же местное время. Установленная на спутнике аппара-
тура позволяет проводить поэлементный просмотр поверхности
Земли в пределах поля зрения сканирующего прибора. Диапазон
зондирования современной аппаратуры может перекрывать
спектр от УФ-области до радиоволн. Опыт дистанционного зон-
дирования многозональными системами позволил выявить по-
тенциальную информативность практически любого участка
ЭМ-спектра для решения большинства экологических задач.
Измерения естественной УФ-радиации были начаты в связи с
необходимостью изучения ее влияния на биообъекты. Дополни-
тельный интерес к исследованию условий распространения УФ*|
в приземном слое возник с началом разработок систем лазерной
связи в УФ-диапазоне. Отдельной областью исследования являет-
ся определение содержания озона в атмосфере по измерениям
прямой солнечной радиации в УФ-области.
Проведенные эксперименты по отработке методики ДЗ спеК
трозональными телевизионными системами с оптико-механиче
ской разверткой показали, что при общем понижении контраста
увеличении зашумленности УФ изображений в канале 380—400 н
выделяются геологические образования, невидимые в других Д
пазонах. е
Границы акватории и суши не всегда выражены четко. В т°
время надежно выделяется ряд компонентов современного Ла
шафта, зоны засоленности и повышенной влажности. Сухие пе
162 .
определенных сочетаниях с другими объектами уверенно де-
%фРУются только в УФ-диапазоне.
Важным вопросом использования УФ-диапазона C00—400 нм)
наблюдения загрязнений атмосферы и водного бассей-
Измерение отраженного и рассеянного солнечного излучения
лф.диапазона позволяет по спектральным особенностям уходя-
щего коротковолнового излучения, обусловленного полосами по-
дощения ряда загрязняющих компонент, судить об их присутст-
й Это прежде всего относится к SO2, NO2 и О3.
Одной из основных задач контроля за загрязнением акваторий
является локализация нефтяных пленок. Оптические свойства
чистой воды существенно отличаются от свойств вод, загрязнен-
ных нефтепродуктами. Для чистой воды в океане длина волны
максимально рассеиваемого света составляет 470 нм. Легкие фрак-
ции, присутствующие в нефтяных пленках на поверхности воды,
поглощают свет в области 300 нм и могут при определенных усло-
виях флуоресцировать в диапазоне 360—460 нм, при этом допол-
нительную информацию может дать использование эффекта по-
ляризации.
Рассмотрим локационный принцип подхода к принципиально
новому решению задачи мониторинга окружающей среды, в ос-
новном атмосферы, используя оптический диапазон ЭМИ. Опти-
ческий локатор называется лидаром; в нем в качестве источника
ЭМИ используется когерентный источник излучения, а именно
испульсный лазер с перестраиваемыми частотами. Излучения оп-
тического диапазона активно взаимодействуют с атомами и моле-
кулами атмосферы, и поэтому отраженный сигнал может содер-
жать значительную информацию о состоянии зондируемого
^астка атмосферы.
Большая мощность лазерного импульса позволяет проникать в
атмосферу вплоть до озонового слоя, например импульс мощно-
стью Ю МВт при длительности 10—30 не способен дать отражен-
ий сигнал с расстояния 30—50 км, причем пространственное пе-
РеМещение лазерного луча позволяет осуществлять непрерывный
°Ниторинг больших объемов атмосферы. Обработка полученной
^Формации осуществляется с помощью ЭВМ.
Принцип работы лидара показан на рис. 3.2.
Лидарный контроль в основном учитывает три физических
°Чесса, являющихся результатом зондирования атмосферы:
1) вынужденное комбинационное рассеяние;
2) резонансное поглощение;
1|% ) резонансное рассеяние.
163
Поворотная призма
Интерференционный
фильтр
Сухой лед ^ -*Г~~ S ~ Фотоумножитель
На запись
к спектрофотометру
Рис. 3.2. Схема лазерного локатора (лидара) с совмещенными источником
и приемником излучения
Сущность вынужденного комбинационного рассеяния заключа-
ется в следующем: при взаимодействии лазерного луча с загряз-
ненной атмосферой в спектре отраженного сигнала появляется
ряд частотных линий комбинационного рассеяния. Эти линии
смещены относительно частоты излучения лазера на определен-
ные величины, обусловленные вынужденными переходами моле-
кул при воздействии излучения лазера. По величине смещения
спектральных линий можно судить о наличии в атмосфере кон-
кретных загрязняющих веществ. Спектры комбинационного РаС\'
сеяния устраняют неоднозначность расшифровки полученной Ли
даром информации и дают возможность обнаружить на фиксйР0
ванной длине волны большую гамму веществ, загрязняющих а
мосферу. Основным достоинством метода комбинационН0
рассеяния является возможность совмещения излучателя и ЯР
емника в одном устройстве. Оптимальные длины волн, обеспе
вающие наибольшую эффективность лидара, работаюШеГ° .е
принципу комбинационного рассеяния, лежат в диапа3
250—400 нм.
160
с1(усственных условиях с помощью живых организмов, таких,
^дафния (рачки), пиявки (черви), инфузории (простейшие) и
находят в настоящее время широкое применение во многих
Гранах.
Определенное распространение в настоящее время получил
^етод лихеноиндикации (от лат. Lichenes — лишайники), основан-
ий на учете количества лишайников в городских насаждениях,
„айонах крупных предприятий. Установлена однозначная связь
Обратно пропорциональная) между наличием лишайников на
стволах деревьев и «полями загрязнения» воздуха. Факт отмира-
ния деревьев при отсутствии жуков-короедов также служит биоло-
гИческим индикатором загрязнения воздуха или почвы вещества-
ми промышленного происхождения.
Для получения информации об изменениях, происходящих на
биосферном уровне, в системах национального мониторинга Рос-
сии действуют восемь «фоновых станций».
В экологическом мониторинге информативность биологиче-
ских электромагнитных излучений (ЭМИ) разных спектральных
диапазонов иногда имеет преобладающее значение перед другими
контрольными парамерами. Рассмотрим частный случай ЭМ-ин-
дикации стихийных бедствий.
При определенных условиях неравновесное состояние может
наблюдаться в объектах как живой, так и неживой природы, на-
пример очаг подготовки землетрясения на определенном этапе
представляет собой самоорганизующуюся неравновесную систему
трещин. Процессы подготовки и развития землетрясений проте-
кают в основном за счет внутренней энергии Земли. В период зем-
летрясения освобождающаяся свободная энергия Земли проявля-
йся в других ее формах и «жизнь» неорганической природы проте-
кает как бы по общим законам неравновесных систем, с той сущест-
Венной разницей, что для живых систем состояние неравновесия
Устойчиво, а для неживой природы ограничено коротким перио-
*Ч после которого вновь наступает состояние динамического
Равновесия.
В период «созревания» землетрясения реакции живых систем
ОгУт быть непосредственно связаны с изменением физико-хими-
есКих условий окружающей среды, поскольку в данном случае
йзКо возрастают информационные связи (в основном ЭМ-при-
Аы) между неравновесной системой возникающего очага земле-
Рч и находящимися в состоянии устойчивого неравновесия
системами.
(. В характере реакций большинства биопредвестников на изме-
ЧИе внешней среды, связанных с предстоящим землетрясением,
¦... • .-¦. - ¦¦ ¦,¦¦¦¦ ¦¦/¦:.¦ :,, ¦ Г\' - 161
важную роль играет нервная клетка. Например, из 100 голубей у Sn
был отсоединен от ЦНС нерв в лапке. Перед самым землетрясецй
ем здоровые голуби проявили беспокойство и взлетели, а птиць,\"
изолированными нервами взлетели только после дополнительн0°
го специального выстрела.
Механизм аномального поведения биопредвестников земде
трясений в настоящее время не раскрыт и имеет, по-видимому, ^
только ЭМ-природу. Пока биопредвестники могут являться ли\'щь
дополнительным фактором, который следует учитывать в реще.
нии актуальной комплексной проблемы прогноза землетрясений
являющимся частным случаем мониторинга биосферы.
В настоящее время широко развита и постоянно модернизиру-
ется наиболее информативная система ЭМ-мониторинга Земли
атмосферы и гидросферы методом дистанционного зондирования
(ДЗ). Для глобального обзора земной поверхности используются
спутники, выведенные на квазиполярные круговые орбиты с вы-
сотой 700—1000 км. Особенностью таких спутников является то,
что они проходят над заданной точкой земной поверхности всегда
в одно и то же местное время. Установленная на спутнике аппара-
тура позволяет проводить поэлементный просмотр поверхности
Земли в пределах поля зрения сканирующего прибора. Диапазон
зондирования современной аппаратуры может перекрывать
спектр от УФ-области до радиоволн. Опыт дистанционного зон-
дирования многозональными системами позволил выявить по-
тенциальную информативность практически любого участка
ЭМ-спектра для решения большинства экологических задач.
Измерения естественной УФ-радиации были начаты в связи с
необходимостью изучения ее влияния на биообъекты. Дополни-
тельный интерес к исследованию условий распространения УФ*|
в приземном слое возник с началом разработок систем лазерной
связи в УФ-диапазоне. Отдельной областью исследования являет-
ся определение содержания озона в атмосфере по измерениям
прямой солнечной радиации в УФ-области.
Проведенные эксперименты по отработке методики ДЗ спеК
трозональными телевизионными системами с оптико-механиче
ской разверткой показали, что при общем понижении контраста
увеличении зашумленности УФ изображений в канале 380—400 н
выделяются геологические образования, невидимые в других Д
пазонах. е
Границы акватории и суши не всегда выражены четко. В т°
время надежно выделяется ряд компонентов современного Ла
шафта, зоны засоленности и повышенной влажности. Сухие пе
162 .
определенных сочетаниях с другими объектами уверенно де-
%фРУются только в УФ-диапазоне.
Важным вопросом использования УФ-диапазона C00—400 нм)
наблюдения загрязнений атмосферы и водного бассей-
Измерение отраженного и рассеянного солнечного излучения
лф.диапазона позволяет по спектральным особенностям уходя-
щего коротковолнового излучения, обусловленного полосами по-
дощения ряда загрязняющих компонент, судить об их присутст-
й Это прежде всего относится к SO2, NO2 и О3.
Одной из основных задач контроля за загрязнением акваторий
является локализация нефтяных пленок. Оптические свойства
чистой воды существенно отличаются от свойств вод, загрязнен-
ных нефтепродуктами. Для чистой воды в океане длина волны
максимально рассеиваемого света составляет 470 нм. Легкие фрак-
ции, присутствующие в нефтяных пленках на поверхности воды,
поглощают свет в области 300 нм и могут при определенных усло-
виях флуоресцировать в диапазоне 360—460 нм, при этом допол-
нительную информацию может дать использование эффекта по-
ляризации.
Рассмотрим локационный принцип подхода к принципиально
новому решению задачи мониторинга окружающей среды, в ос-
новном атмосферы, используя оптический диапазон ЭМИ. Опти-
ческий локатор называется лидаром; в нем в качестве источника
ЭМИ используется когерентный источник излучения, а именно
испульсный лазер с перестраиваемыми частотами. Излучения оп-
тического диапазона активно взаимодействуют с атомами и моле-
кулами атмосферы, и поэтому отраженный сигнал может содер-
жать значительную информацию о состоянии зондируемого
^астка атмосферы.
Большая мощность лазерного импульса позволяет проникать в
атмосферу вплоть до озонового слоя, например импульс мощно-
стью Ю МВт при длительности 10—30 не способен дать отражен-
ий сигнал с расстояния 30—50 км, причем пространственное пе-
РеМещение лазерного луча позволяет осуществлять непрерывный
°Ниторинг больших объемов атмосферы. Обработка полученной
^Формации осуществляется с помощью ЭВМ.
Принцип работы лидара показан на рис. 3.2.
Лидарный контроль в основном учитывает три физических
°Чесса, являющихся результатом зондирования атмосферы:
1) вынужденное комбинационное рассеяние;
2) резонансное поглощение;
1|% ) резонансное рассеяние.
163
Поворотная призма
Интерференционный
фильтр
Сухой лед ^ -*Г~~ S ~ Фотоумножитель
На запись
к спектрофотометру
Рис. 3.2. Схема лазерного локатора (лидара) с совмещенными источником
и приемником излучения
Сущность вынужденного комбинационного рассеяния заключа-
ется в следующем: при взаимодействии лазерного луча с загряз-
ненной атмосферой в спектре отраженного сигнала появляется
ряд частотных линий комбинационного рассеяния. Эти линии
смещены относительно частоты излучения лазера на определен-
ные величины, обусловленные вынужденными переходами моле-
кул при воздействии излучения лазера. По величине смещения
спектральных линий можно судить о наличии в атмосфере кон-
кретных загрязняющих веществ. Спектры комбинационного РаС\'
сеяния устраняют неоднозначность расшифровки полученной Ли
даром информации и дают возможность обнаружить на фиксйР0
ванной длине волны большую гамму веществ, загрязняющих а
мосферу. Основным достоинством метода комбинационН0
рассеяния является возможность совмещения излучателя и ЯР
емника в одном устройстве. Оптимальные длины волн, обеспе
вающие наибольшую эффективность лидара, работаюШеГ° .е
принципу комбинационного рассеяния, лежат в диапа3
250—400 нм.