Метрология, экология и гидрометеорология

Одной из фундаментальных проблем нашего времени является контроль за состоянием окружающей природной среды. Контроль может осуществляться двумя методами: в виде прямого измерения концентраций загрязнителей или таких веществ, как кислород, со­держание которых при загрязнении уменьшается, и с помощью био­логических показателей, которые могут быть очень разными — от показателей биохимического потребления кислорода до индикато­ров различных загрязнителей.

Живое вещество Земли — это в основном зеленые растения суши, масса которых составляет всего лишь 0,00001% массы земной коры. А масса животных намного меньше. Правда, за 1 млрд лет Земля носила на себе такое количество живого вещества, которое по массе не уступает земной коре, а продукция этого живого вещества в 10 раз тяжелее коры Земли. Это вроде бы не страшно, поскольку природа постоянно занята самообновлением. Например, взрослое дерево за сутки выделяет до 180 м³ кислорода. Но человек в состоя­нии покоя потребляет кислорода в 2 раза больше, а при интенсив­ной работе ему потребуется до 900 м³ кислорода в сутки. Следова­тельно, для равновесия атмосферы на Земле должно быть в 5 раз больше деревьев, чем людей. Но и этого мало. Надо учесть оборот­ную сторону цивилизации. Легковой автомобиль на 1000 км пробе­га потребляет кислорода столько, сколько человеку хватает на год. Один реактивный пассажирский самолет по дороге из Европы в Америку сжигает 35 т кислорода. Это дневная продукция 3000 га леса. Планета за год теряет до 9 млрд м³ кислорода, место которого занимает углекислый газ.

Воздушный океан сейчас содержит более 500 млн т угарного газа. Две трети из них создано индустриальной деятельностью чело­века. Больше 200 млн т угарного газа выпустили в воздух планеты автомобили, суммарная мощность которых в масштабах Земли в 10 раз превышает мощность всех электростанций. Мы сбрасываем отходы в моря, реки и озера. Окрестности мегаполисов преврати­лись в громадные свалки. Промышленные предприятия, системы отопления, свалки выбрасывают в атмосферу миллиарды кубомет­ров углекислого газа (диоксида углерода), метана и других газов, со­здающих парниковый эффект.

Самый вредный продукт, выбрасываемый в атмосферу, — дву- оксид серы. Ежегодно 150 млн т этого вещества устремляются ввысь из труб угольных электростанций и котельных, чтобы затем вернуть­ся на землю кислотным дождем.

От индустриальной деятельности человека страдает не только атмосфера. Ежегодно заводы сбрасывают в водоемы планеты 32 млрд м³ неочищенных вод. Если выливать эти грязные воды в ка­нал глубиной 10 м и шириной 100 м, то таким каналом можно опо­ясать всю Землю на широте Москвы. Поэтому велика роль метро­логов, которых часто называют «техническими милиционерами» в благородном деле охраны природы. Например, измерение содержа­ния оксида углерода в выхлопных газах автомобиля обязательно.

Аналитические приборы, предназначенные для контроля заг­рязнения окружающей среды, градуируют в диапазоне концентра­ций веществ-загрязнителей — от близких к возможным до допусти­мых. Предельно допустимые концентрации многих вредных веществ в воздухе, воде и почве относятся к области следовых и микрокон­центраций.

На предприятиях метрологи контролируют не только качество продукции, но и технологическую дисциплину, проверяют соблю­дение норм, ограничивающих выбросы вредных веществ. Коэффи­циенты полезного действия золоуловителей, газоочистных и пыле­улавливающих установок, уровень вредных ионизирующих и элек­тромагнитных излучений, экологическая чистота сырья и топлива — все эти параметры измеряются и сравниваются с нормами. Невы­полнение норм влечет за собой применение административных и даже более строгих санкций.

Замечательным помощником в деле охраны природы стал лазер. Особенно эффективны лазерные приборы на службе защиты атмос­ферного воздуха. Принцип лазерного зондирования атмосферы (до высот 30—40 км) основан на взаимодействии лазерных импульсов с аэрозолями, состоящими из дыма, пыли и смога (мельчайших твер­дых частиц). Лазерные устройства можно установить даже в трубе промышленного предприятия. При этом такое устройство справля­ется с экспресс-анализом за считанные минуты.

Лазерные газоанализаторы улавливают одну десятимиллионную долю нужного газа в испытуемой среде. Каждый газ откликается только на определенное лазерное излучение. Интересно, что отдель­ные газоанализаторы способны также осуществлять поиск полезных ископаемых (газы — спутники месторождений) и предсказывать зем­летрясения (по поступающим из недр углеводородам).

Чистоту веществ-загрязнителей определяют всеми существую­щими методами анализа. Наиболее точными и перспективными из них считаются абсорбционная спектроскопия, масс-спектрометрия, методы ядерно-магнитного резонанса, хроматография, некоторые электрохимические методы.

Конечно, в одной работе невозможно отразить все метрологи­ческие принципы, используемые при экологическом контроле. По­этому остановимся лишь на проблемах метрологического обеспече­ния контроля за качеством природной водной среды. Рассмотрим состояние измерений факторов загрязнения водной среды с исполь­зованием биологических показателей — отклика живых организмом на действие загрязнителей.

Действующая в настоящее время система контроля за качеством водной среды рассчитана в основном на анализ гидрохимическими методами с использованием нормативов предельно допустимых концентраций. Для повышения эффективности контроля сейчас уже необходимо переходить на экологическое нормирование. Дело в том, что сточная вода содержит многие десятки и сотни загрязня­ющих веществ, число которых может меняться в процессе очистки. Даже в пределах одного типа производства в зависимости от выбран­ных технологических схем, характера используемого сырья, типа очистных сооружений, глубины очистки и многих других причин состав вод неодинаков. Обычная проверка поверхностных вод на загрязнение сточными водами проводится по содержанию некото­рых веществ, выбранных в качестве основных компонентов, частич­но объективно, частично субъективно. Остальные компоненты обычно не учитываются или определяются по показателям химичес­кого потребления кислорода.

В условиях, когда в водоемы попадают вещества, биологически опасные для находящихся в них гидробионтов, наиболее достовер­ными методами токсикологического контроля являются методы биологического тестирования. Под биотестом понимают оценку в строго определенных условиях действия вещества или комплекса веществ на водные организмы путем регистрации изменений того или иного биологического (или физиолого-биохимического) пока­зателя исследуемого объекта по сравнению с контролем. Испытуе­мые организмы называют тест-объектами. Таким образом, цель био­тестирования — выявление степени токсичности воды и характера загрязняющих ее веществ. Биотестирование вод способно снабдить интегральными показателями степени опасности сточных вод, тем самым обеспечивая учет влияния всей совокупности загрязняющих веществ и эффектов возможных взаимодействий между этими веще­ствами.

В большинстве работ по биотестированию тест-объектами яв­лялись биологические объекты самых разных систематических групп — микроорганизмы, водоросли, простейшие, низшие, рако­образные, моллюски, рыбы, культуры тканей, ферментативные ре­акции и др. В качестве основных токсикантов рассматривали тяже­лые металлы, пестициды, соединения фенола, формальдегида, про- панида, сатурна, инсектицидов, метафоса, а также различные сме­си этих веществ. В качестве тест-реакций регистрировались рост, развитие, размножение, плодовитость, активность окислительных ферментов, биолюминесценция, биоэлектрическая реакция, фото­синтез, дыхание и сердечный ритм, регенерация органов, диффе­ренциальное окрашивание клеток, поведенческие реакции и др.

Было сделано заключение, что большинство испытанных био­тестов достаточно достоверны и воспроизводимы. В табл. 10.1 при­ведены данные апробации по чувствительности некоторых видов организмов к испытанным токсикантам.

Таблица 10.1 Чувствительность живых организмов к токсикантам Тест-объекты Разрешающая способность, мг/л Тест-объекты Разрешающая способность, мг/л Микроорганизмы Водоросли Простейшие Дафнии ю-^4 - ю-^210"^6 - 10 ю-^4 - ю-^1ю~^3- ю-^1 Макробеспозвоночные Рыбы: • карп, окунь • гольян Ю^-4 —10 ю-^2 — 1 10 ^3 — ю-^2

 

В 1997 г. в Санкт-Петербурге на конференции «Международные и национальные аспекты экологического мониторинга» была впер­вые подчеркнута роль метрологии в экологическом мониторинге. В решениях конференции записано:

«признать важнейшей задачей международных и национальных метрологических организаций обеспечение достоверности экологи­ческого мониторинга;

рекомендовать национальным метрологическим организациям осуществлять активную проработку проектов развития эталонной базы для решения задач, связанных с мониторингом окружающей среды и природоохранной деятельностью;

рекомендовать научным метрологическим центрам Госстандар­та России более активно участвовать в международных сличениях эталонных образцов и интеркалибровках, выполняемых под эгидой международных организаций и на двусторонней основе;

отметить необходимость обеспечения взаимопонимания аккре­дитации измерительных лабораторий в Российской и Европейской системах аккредитации;

считать целесообразным включение национальных метрологи­ческих институтов в глобальную систему экологического монито­ринга ООН с приданием им статуса международных центров, ответ­ственных за метрологическое обеспечение мониторинга».

Естественно, что эффективность мониторинга зависит от дос­товерности измерений экологических параметров.

На горизонте — новые подходы, основанные, в частности, на достижениях генной и клеточной инженерии в области биотехноло­гии. Благодаря этим достижениям возможно создание искусственных биодатчиков с заданными свойствами. Уже получен ряд штаммов микроорганизмов и культур клеток, которые под влиянием внешних факторов среды могут изменять свои свойства (морфологические — размеры, форму, цветовую окраску, таксис и др.), проявляя высокую специфичность к действию определенного агента.

Подобранная система биотестов позволяет решать задачи диаг­ностики загрязнителей водной среды и подходить к проблеме кон­троля на уровне экологической характеристики состояния водных объектов, тем самым повышая чувствительность контроля за степе­нью опасности загрязнения водной среды.

Таким образом, для существенного повышения эффективности существующей системы контроля за качеством природной водной среды необходимо, наряду с гидрохимическими и санитарно-гидро- биологическими методами анализа, широко использовать биологи­ческие показатели, т. е. переводить контроль на уровень экологичес­кого нормирования.

С самого зарождения науки о погоде метеорология была связа­на с измерениями температуры, давления и влажности воздуха, ко­личества осадков, высоты снежного покрова, что невозможно без соответствующего метрологического обеспечения. Сегодня задачи метеорологии существенно усложнились, да и само название изме­нилось. Теперь это гидрометеорология, в сферу интересов которой входит определение физико-химических и оптических параметров атмосферы, поверхностной плотности, мощности и энергии солнеч­ного излучения, физико-химических характеристик почвы, элект­рических и магнитных полей, уровней радиоактивности, динами­ческих, физических, оптических и биологических параметров мо­рей, океанов, озер и рек, включая ледовый покров и т. д. Все это делается, как утверждает JT.H. Брянский, «не от хорошей жизни».

С развитием цивилизации зависимость человечества от погод­ных условий на суше и на море, казалось бы, должна была умень­шаться. На самом деле все обстоит совсем по-другому. Человечество вынуждено осваивать новые территории (в том числе в неустойчи­вых и неблагоприятных климатических зонах), низменные побере­жья морей и океанов, строить линии электропередачи, плотины, высотные сооружения, уничтожать леса. Рост населения привел к дефициту посевных площадей. Все это повысило значимость про­гнозов погоды и изменений климата, включая засушливые и дожд­ливые годы, прогнозов землетрясений, извержений вулканов, штор­мов, наводнений, торнадо и цунами, изменений морских течений и т. п. Даже сверхмощная космическая техника иной раз зависит от погоды.

Гидрометеорология — одна из первых отраслей народного хо­зяйства, в которых стали применяться автоматизированные средства измерений параметров атмосферы (давления, температуры, влажно­сти и системы дистанционной передачи результатов), а также вы­числительная техника. Для средне- и долгосрочных прогнозов по­годы необходим учет разнообразных данных от сотен метеостанций. Сами алгоритмы их обработки очень сложны, поэтому только при­менение ЭВМ позволило выполнять эти вычисления в приемлемые сроки.

Широте решаемых задач соответствует и парк средств измере­ний, используемых в гидрометеорологии. Велика и ответственность за правильное функционирование этого парка. Не случайно в ст. 13 Закона Российской Федерации «Об обеспечении единства измере­ний» в числе отраслей, входящих в сферу государственного метро­логического контроля и надзора, указана и гидрометеорология. Подсчеты показывают, что она пользуется в той или иной мере ус лугами не менее 80% государственных эталонов России.