Umweltüberwachungsmethoden. Erdfernerkundung

Umweltüberwachung (Tracking) ist der Prozess der Überwachung des Zustands verschiedener Komponenten der Umwelt und der Bewertung ihres aktuellen Zustands. Für eine vollständigere und umfassendere Bewertung ist die ordnungsgemäße Organisation der Umweltüberwachung sowie die Festlegung gemeinsamer Kriterien und Parameter für die Umweltqualität erforderlich. Die Umweltüberwachung kann sowohl regionale als auch globale Ziele verfolgen. Beispiele für die Umweltüberwachung finden sich buchstäblich überall.

Was ist Umweltüberwachung?

Die Umweltüberwachung ist eine recht komplexe technische und organisatorische Umwelttätigkeit, an der verschiedene Stellen und Beamte beteiligt sind. Die in diesem Fall erhaltenen Informationen sind in Bezug auf Art, Inhalt, Formulare, Reihenfolge des Eingangs, Rechtsstatus und Verteilungsmethoden sehr unterschiedlich. In Russland kann es von staatlichen Behörden, konstituierenden Einheiten der Russischen Föderation und lokalen Abteilungen verwendet werden. Solche Informationen sind von wissenschaftlichem und angewendetem Wert. Darauf bauen viele Prognosen auf, die Reaktion verschiedener natürlicher und anthropogener Systeme auf verschiedene Einflüsse wird geschätzt. Es wird für föderale und gezielte Umweltprogramme verwendet.

Die Umweltüberwachung wird an stationären oder mobilen Punkten durchgeführt: speziell ausgestattete Autos, Posten, Stationen, Labors, Forschungszentren. Die empfangenen Informationen werden dann verarbeitet. Umweltüberwachungsmethoden sind unterschiedlich und hängen von den Aufgaben ab.

Umweltverschmutzung

Das ständige Wachstum der Weltbevölkerung in Verbindung mit einer Steigerung des materiellen Wohlergehens der Menschen erhöht den Druck auf die Umwelt erheblich und führt zu verschiedenen negativen Folgen. Die Verringerung der Naturgebiete und die zunehmende Umweltverschmutzung sind zu den Hauptfolgen menschlicher Aktivitäten geworden. Die Hauptfaktoren der Umweltverschmutzung sind:

• Industrielle Emissionen und Abwässer beeinträchtigen die Luft-, Wasser- und Bodenqualität und beeinträchtigen die menschliche Gesundheit.
• Emissionen von Treibhausgasen (Kohlendioxid, Methan, Lachgas usw.), die die Temperatur der unteren Atmosphäre, die Dicke der Ozeane und die obere Schicht der Erdkruste beeinflussen.
• Bodenerosion durch irrationale Landnutzung. Es führt zur Verschmutzung von Flüssen und anderen Gewässern durch Schwebeteilchen und Schadstoffe.
• Haushalts- und Industriemüll, der sowohl an sich als auch in Form von Produkten seines Verfalls schädlich ist. Kann zu einer Vergiftung des Ökosystems und einer schlechten menschlichen Gesundheit führen.
• Invasive Pflanzen- und Tierarten, die häufig große Umweltschäden verursachen.
• Strahlenbelastung durch Unfälle in Kernkraftwerken, die Arbeit radiochemischer Unternehmen, Medizin und Uranabbau.
• Pestizide und Herbizide führen zu Wasser- und Bodenverschmutzung, hauptsächlich in landwirtschaftlichen Gebieten.
• Bergbau, der häufig zu einer Quelle schädlicher Staub- und Wasserverschmutzung wird.
• Brände: Industrie, Haushalt und Wald. Sie sind eine bedeutende Quelle für Luftverschmutzung und die Ursache für Tod oder Schädigung von Ökosystemen.
• Öl- und Tensidverschüttungen aufgrund von Undichtigkeiten und Unfällen. Beeinflussen am stärksten den Zustand der Meere und Ozeane, verringern die Verdunstung und damit die Niederschlagsmenge.
• In den USA besteht das Problem der Binnenwasserverschmutzung durch Drogen. Sie können auch die Qualität von Fleisch oder Milch beeinträchtigen.
• Die Entwaldung ist die Ursache für die Verschmutzung von Fluss- und Grundwasser und kann auch die Luftverschmutzung durch Staubpartikel erhöhen. Dies führt zu einer Abnahme der Verdunstung und des Niederschlags, beeinträchtigt das Klima und erhöht die Kontinentalität.

Umweltverträglichkeitsprüfung

Ziel der Prüfung ist es, die Konformität wirtschaftlicher Tätigkeiten mit der Umweltgesetzgebung zu überprüfen. Wird am häufigsten bei neuen Projekten angewendet, deren Umsetzung sich auf die Umwelt auswirken kann. Ökologisches Fachwissen kann staatlich und öffentlich sein. Aufgrund der Ergebnisse wird eine Schlussfolgerung zur Zulässigkeit oder Unzulässigkeit des Projekts gezogen. Selbst wenn dieses Projekt eine Umweltprüfung bestanden hat, kann die Umweltüberwachung in der errichteten Anlage organisiert werden.

Geschichte der Umweltüberwachung

Zum ersten Mal wurde die Umweltüberwachung 1971 im wissenschaftlichen Ausschuss für Umweltprobleme und 1972 auf der UN-Umweltkonferenz in Stockholm erörtert. Die Relevanz einer solchen Überwachung wurde in diesen Jahren in der UdSSR diskutiert. Zu diesem Zweck wurde vorgeschlagen, ein System von Biosphärenreservaten zu schaffen.

In den 70er Jahren leisteten sowjetische Wissenschaftler einen großen Beitrag zur Entwicklung von Ideen zu den Prinzipien der Umweltüberwachung. An diesem Prozess nahm der Leiter des Hydrometeorologischen Zentrums, Yu.A. Israel, aktiv teil. Die zusammenfassende Arbeit zu diesem Thema wurde 1975 unter der Autorschaft des Akademikers I.P. Gerasimov veröffentlicht, der drei Stufen der Überwachung herausgegriffen hat:

1. Auf der ersten Überwachungsebene sollte seiner Meinung nach das Hauptaugenmerk auf Beobachtungen des Umweltzustands und der Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit gelegt werden. Die Hauptindikatoren für diese Phase sollten Indikatoren für die Reaktion einer Person sein: Inzidenzrate, durchschnittliche Lebenserwartung, Geburtenrate und Mortalität usw.
2. Die zweite Ebene umfasst die Überwachung allgemeinerer Indikatoren: biologische Produktivität, Massen- und Energiestoffwechsel usw. Solche Beobachtungen sollten in speziellen Krankenhäusern, Ausbildungsstätten usw. durchgeführt werden.
3. Das Ziel der dritten Stufe ist die Überwachung von Prozessen und Mengen in großem Maßstab: Staubwischen der Atmosphäre, Meeresverschmutzung, globaler Wasserdampfgehalt usw.

Aufgaben und Objekte der Umweltüberwachung

Die Umweltüberwachung soll die folgenden Probleme lösen:

• Regelmäßige Überwachung der Umwelt und ihrer Verschmutzung.
• Prognose und Bewertung der Umweltsituation, insbesondere im Hinblick auf den Klimawandel.

Tracking-Objekte können sein:

• Die Umwelt und ihre Bestandteile (Atmosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre, Lithosphäre, Urbosphäre).
• Die Qualität der Umwelt, deren Änderung negative Folgen haben kann.
• Bestimmte Arten anthropogener Aktivitäten, die anderen schaden können.
• Unternehmen, Deponien, Technologien, Kernkraftwerke usw.
• Vom Menschen verursachte Katastrophen: Ölverschmutzungen, Brände, Unfälle, Zwischenfälle und andere gefährliche Phänomene natürlicher oder vom Menschen verursachter Natur.
• Geschützte Naturstätten.

Verschiedene Umweltorganisationen, Forschungsinstitute, Regierungsstellen (sowohl auf Bundes- als auch auf lokaler Ebene), öffentliche Vereinigungen, Unternehmen und andere wirtschaftliche Einrichtungen sowie internationale wissenschaftliche Organisationen (z. B. die NASA) können Umweltüberwachungen durchführen.

Arten der Überwachung

In Bezug auf die Abdeckung ist die Überwachung in lokale, regionale, nationale und globale Bereiche unterteilt.

• Wenn sie lokal sind, überwachen sie kleine Bereiche eines beliebigen Ortes.
• Wenn regionale Beobachtungen auf regionaler Ebene durchgeführt werden.
• Bei der nationalen Verfolgung im Hoheitsgebiet eines bestimmten Staates.
• Die globale Umweltüberwachung umfasst die Verfolgung umfangreicher Prozesse von internationaler Bedeutung.

Je nach Beobachtungsobjekt kann es sich um grundlegende, biosphärische, atmosphärische, hydrologische, Boden-, Strahlungs-, hygienische, geobotanische, zoologische usw. handeln.

Die wichtigsten Methoden der Umweltüberwachung

Derzeit fallen Umweltüberwachungsmethoden in zwei Hauptkategorien:

1. Bodenbeobachtungen (physikalisch-chemische, Bioindikation, meteorologische, fotografische, medizinische usw.).
2. Fernmethoden zur Umgebungsüberwachung (Satellitenerfassung, Verfolgung von Drohnen usw.).

Natürlich werden im ersten Fall lokale und regionale Prozesse häufiger bewertet und im zweiten Fall großräumig und global.

Satellitenüberwachung

Die Fernerkundung der Erde verwendet Satellitendaten, Daten von Flugzeugen, Drohnen und Schiffen. Satellitendaten bieten eine möglichst breite Abdeckung des untersuchten Objekts und werden daher häufig verwendet, um Informationen über globale Umweltveränderungen zu erhalten. In Luft- und Raumfahrtbildern ist das Ausmaß der Entwaldung, Verstädterung, Staubverschmutzung der Atmosphäre, schmelzenden Eises usw. deutlich sichtbar. Daten von Infrarotdetektoren liefern Informationen über die Temperatur verschiedener Teile der Erdoberfläche und schätzen deren Albedo. Die Reflexion von Radiowellen und ultravioletter Strahlung von der Wasseroberfläche liefert Informationen über die Ölverschmutzung der Ozeane.

Die Fernerkundung der Erde wird zu einer immer beliebteren Art der ökologischen Forschung.

Satellitenüberwachung kann aber auch verwendet werden, um die Situation auf lokaler Ebene zu verfolgen. Beispielsweise liefern Luft- und Raumfahrtbilder Informationen über den Zustand der Wälder, über die Situation bei Waldbränden, Gewitterherden usw., die ausreichen können, um bestimmte praktische Entscheidungen zu treffen. Um qualitativ hochwertige und genaue Bilder zu erhalten, können Drohnen eingesetzt werden.

Biologische Methoden

Biologische Umweltüberwachungsmethoden sind terrestrische Verfolgungsmethoden. Sie werden auch als Bioindikation bezeichnet. Das Hauptziel einer solchen Überwachung sind biologische Objekte: Arten, Gemeinschaften, Ökosysteme, Nahrungsketten usw. Für die Analyse werden Fakten wie die Verteilung einer Art, eine Änderung ihrer Anzahl oder das vollständige Verschwinden oder das Auftreten in einem neuen Gebiet verwendet. In geobotanischen Studien verfolgen sie die Veränderung des Verbreitungsgebiets bestimmter Arten, die Dynamik der Biomasse, die Bioproduktivität, die Höhen- und Breitenverteilung von Arten und Gemeinschaften usw.

Bioindikatoren können sein: die Breite der Jahresringe, die Gelbfärbung der Blätter, das Austrocknen des Bestands, die Höhe der Bäume, das Vorhandensein von Unkraut (Pionierarten) und andere Anzeichen.

Die biologische Überwachung deckt alle Ebenen ab - von molekular und zellulär bis global. Für die Forschung werden je nach Aufgabe Laboratorien Expeditionsstudien organisiert.

Vor der Durchführung der biologischen Überwachung muss eine Methodik für deren Implementierung entwickelt und die erforderlichen Daten erhalten werden, da unterschiedliche biologische Systeme unterschiedlich auf unterschiedliche Expositionsarten reagieren. Es werden Organismen oder Ökosysteme ausgewählt, die am empfindlichsten für menschliche Einflüsse sind. Solche Organismen werden Indikatoren genannt. Dank der Verwendung von Biotest werden diagnostische Kriterien ausgewählt, um das Ausmaß der Auswirkung eines Faktors auf das Untersuchungsgebiet zu bewerten.

Daher verwendet die biologische Überwachung die Bioindikationsmethode. Natürlich ist die Genauigkeit solcher Studien geringer als bei Verwendung physikalischer Methoden. Gleichzeitig wird es ihnen jedoch möglich sein, den Gesamtschaden zu bewerten, der durch anthropogene Aktivitäten an natürlichen Ökosystemen verursacht wird, der mit anderen Methoden nicht erreicht werden kann. Infolgedessen wird es möglich sein, die für den Umweltzustand bedeutendsten Auswirkungen von dem Komplex der Auswirkungen zu isolieren und angemessene Maßnahmen zur Verringerung der anthropogenen Belastung zu ergreifen. Um mögliche Schäden für die öffentliche Gesundheit zu beurteilen, ist es vorzuziehen, toxikologische Proben zu analysieren, die sich auf physikalisch-chemische Überwachungsmethoden beziehen.

Zur Bioindikation werden am häufigsten Fische, Mikroorganismen und Algen verwendet. Krebse bevorzugen bekanntermaßen auch reines Wasser und sind daher ein guter Indikator für Kontamination. Gleiches gilt für einige Flechtenarten, die ebenfalls Gegenstand der Bioindikation sind.

Biologische Überwachungsfunktionen

Die Bioindikation der Umwelt eignet sich für folgende Aufgaben:

• Erstellung einer umfassenden Bewertung der anthropogenen Auswirkungen auf die Natur der untersuchten Region.
• Identifizieren Sie zufällige oder latente Emissionen, einschließlich absichtlicher Falschdarstellung durch das Management von Informationen über ihre eigenen Emissionen.
• Ermöglichen Sie die Beurteilung der Empfindlichkeit von Organismen gegenüber emittierten Schadstoffen oder anderen schädlichen Wirkungen.
• Zeigen Sie die Rücklaufquote von Biosystemen und ihre Größe.
• Sie ermöglichen es, die Verschmutzungsherde und die Konzentration schädlicher Verunreinigungen abzubilden.
• Mit ihnen können Sie den Grad der Gefährdung bestimmter Schadstoffe für die Umwelt und mit hoher Wahrscheinlichkeit für den Menschen beurteilen.
• Sie helfen bei der Rationierung der maximal zulässigen Umweltbelastung und ergreifen gegebenenfalls Maßnahmen, um diese zu reduzieren.

Labormethoden, Probenahme

Physiko-chemische Methoden zur Umweltüberwachung sind meistens Laborverfahren. Die Analyse beginnt mit der Probenahme von Luft, Boden oder Wasser und anschließend mit speziellen Geräten, um den Schadstoffgehalt zu untersuchen. Es wird auch instrumentelle Analyse genannt.

Physikochemische Verfahren sind wie folgt:

• chromatographische Anzeige;
• Infrarotspektrometrie;
• fluorimetrische Methoden;
• elektrochemische Methoden;
• massenspektrometrische Methoden;
• Lumineszenzanalyse;
• Funktechnische Methoden.

Chromatographische Methoden

Diese Methoden werden häufig zum Nachweis von Verunreinigungen verwendet, insbesondere bei der Analyse von Flüssigkeiten. Am beliebtesten sind die Gas-Flüssigkeits-, Dünnschicht-, Flüssigkeits- und Ionenchromatographie. Die dünne Schicht ist einfach durchzuführen und dient zum Nachweis von Pestiziden und organischen Schadstoffen. Gas-Flüssigkeit ist bei der Analyse flüchtiger organischer Verbindungen wirksamer. Flüssigchromatographie dient zum Nachweis nichtflüchtiger chemischer Verbindungen.

Hochempfindliche Detektoren, die auf verschiedenen physikalisch-chemischen Methoden basieren, ermöglichen den Nachweis auch geringer Mengen an Verunreinigungen, was für den Nachweis hochtoxischer Verbindungen wichtig ist. In Kombination mit chromatographischen Techniken können Massenspektrometrie und Infrarotspektrometrie ein gutes Ergebnis für die Identifizierung komplexer Kombinationen von Verunreinigungen liefern. Diese Arten von Analysatoren werden an leistungsstarke Computer angeschlossen. Mit ihrer Hilfe können Sie gefährliche Substanzen wie Dioxine, polychlorierte Biphenyle, Nitrosamine und giftige Pestizide nachweisen.

Die Ionenchromatographie wird verwendet, um das Verhältnis von Kationen zu Anionen zu analysieren.

Spektralphotometrie

Diese Methode verwendet Infrarotstrahlung. Eine Analyse der Absorptions-, Reflexions- und Streuspektren ermöglicht es, das Vorhandensein und die Konzentration von Verunreinigungen ziemlich genau zu bestimmen. Ein Katalog mit Spektren verschiedener Substanzen erleichtert die Bestimmung der Art des Schadstoffs oder der nützlichen Substanz, die in einer Probe oder einem Produkt vorhanden ist. Das Infrarotspektrum ermöglicht die Bestimmung gleichmäßiger Eigenschaften wie Dichte, Partikelgrößenverteilung, Kaloriengehalt von Lebensmitteln und Samenkeimung.

Lumineszenzmethode

Dies ist eine der empfindlichsten Methoden zur Identifizierung von Schadstoffen. Mit ihm werden Spurenmengen sowohl organischer als auch anorganischer Verunreinigungen in Luftproben bestimmt. Es kann zur Überwachung der Hydrosphäre und Biosphäre sowie zur Bestimmung des Gehalts an Spurenelementen, organischen Verbindungen und der Menge an Schadstoffen verwendet werden.

Das Lumineszenzverfahren kann verwendet werden, wenn das Vorhandensein von polyaromatischen Kohlenwasserstoffen oder deren Derivaten nachgewiesen werden muss. Zur Berechnung der Konzentration einer Substanz wird ein Phänomen wie das Lumineszenzlöschen verwendet.

Es werden jedoch nicht alle Verbindungen nach dieser Methode bestimmt. Manchmal wird eine chemische Reaktion durchgeführt, mit deren Hilfe die Ausgangsverbindung so verändert wird, dass die Lumineszenz sie nachweisen kann.

Elektrochemische Methoden

Für ihre Implementierung werden Elektroden verwendet: Anode und Kathode. Die Kathode ist häufig eine Quecksilber-Tropfelektrode mit einer ständig aktualisierten Oberfläche, die es ermöglicht, Polarogramme zu erhalten und eine effektive Analyse durchzuführen. Diese Methode eignet sich nur zum Nachweis von Metallionen, organischen Substanzen, Carbonylverbindungen, Peroxiden, Epoxiden und anderen. Aus diesem Grund kann es nicht als universell angesehen werden, sondern ist eher selektiv.