Первые попытки изучения атмосферы были приняты М.В. Ломоносовым. Первая служба погоды появилась в России в 1872 г. Множеством экспериментов подтверждена связь между загрязнением атмосферы и метеорологическими параметрами.
Метеорология – наука о земной атмосфере, ее строении, свойствах и происходящих в ней процессах. Свойства атмосферы и происходящие в ней процессы рассматриваются в связи со свойствами и влиянием подстилающей поверхности (суши и моря). Главная задача метеорологии – прогнозирование погоды на различные сроки. Метеорологическая станция – основной компонент регулярных наблюдений за состоянием атмосферы. Она предназначена для: измерения температуры, давления и влажности воздуха; скорости и направления ветра; контроля облачности, уровня осадков, видимости, солнечной радиации. Различают метеостанции наземные и дрейфующие, устанавливаемые на судах, на буях в открытом море. Наземная подсистема получения данных насчитывает 65 центров по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 21 гидрометеорологический центр, 21 гидрометеорологическую обсерваторию, 16 гидрометбюро, 18 авиаметеорологических центров, 343 авиаметстанции, 22 центра мониторинга загрязнения окружающей среды, 1606 гидрометеорологических станций в Антарктиде, 17 ионосферно-магнитных и 30 озонометрических станций. На 1450 станций и постах проводятся радиометрические измерения. Загрязнение атмосферного воздуха определяется на 687 станциях в 299 городах.
Методы зондирования атмосферного воздуха. Ракетное зондирование применяется для зондирования верхних слоев атмосферы: слой от 15-20 до 80-120 км (стратосфера и мезосфера), в котором располагается большая часть озоносферы и нижней ионосферы и более высокие слои термосферы и экзосферы. Для изучения средней атмосферы используются метеорологические ракеты, поднимающиеся до высот 80 –100 км. Они могут быть жидкостно- и твердотопливными. Основными параметрами, измеряемыми с помощью метеорологических ракет, являются: давление, температура, плотность и газовый состав воздуха.
Основные проблемы организации мониторинга связаны с решением трех главных задач:
1 создание сети пунктов наблюдения;
2 возможность оперативного контроля объектов;
3 выбор контролируемых параметров и показателей состояния объектов и индивидуальных аналитических параметров, необходимых и достаточных для адекватного описания состояния экосистемы.
Концепция создания комплексной системы мониторинга природной среды в целом в настоящее время практически не может быть реализована, так как существующая система фактически состоит из отдельных подсистем мониторинга качества объектов природной среды (вода, воздух, почва), которые слабо методологически связаны между собой. Поэтому на первой стадии следует создавать системы мониторинга отдельных сред с последующей их методологической и метрологической увязкой. Вместе с тем, интегрирование систем мониторинга количественных и качественных показателей отдельных сред (загрязнения воды и гидрологии, загрязнение атмосферы и метеорологии) необходимо сохранять и развивать с самого начала, так как в противном случае не будет обеспечена правильная оценка их состояния.
Концепция комплексной системы экомониторинга опирается, прежде всего, на оперативный экологический контроль. Для построения системы такого контроля необходимо создание методологии и аппаратуры автоматического оперативного слежения за возможными экологическими правонарушениями на базе следующих приборов контроля:
- приборы типа «химический сторож» для автоматического контроля возможных нелегальных залповых сбросов и отбора проб сбросов;
- приборы типа «черный ящик» для автоматического непрерывного контроля и документирования состояния вод, сбрасываемых предприятиями или станциями очистки и воздушных выбросов предприятий промышленно-энергетического комплекса;
- приборы типа «анализатор отпечатков пальцев» для идентификации виновников загрязнения путем сравнения состава веществ загрязнения и состава вещества в потенциальных (подозреваемых) источниках загрязнения;
- приборы для автоматического отбора, хранения и подготовки к анализу пробы объектов окружающей среды в непрерывном (on line) режиме.
Подобная аппаратура обеспечивает возможность функционирования многоступенчатой системы контроля природной среды, представляющей собой открытую иерархическую структуру, где «на нижней ступени» установлена сеть простых датчиков, управляющих устройствами отбора пробы и включающих более сложные анализаторы старших ступеней в случае обнаружения аномалий состава и свойств контролируемой среды.
За рубежом созданы региональные мониторинговые геоинформационные системы, особенно в мониторинге загрязнения атмосферы. Геоинформационная мониторинговая система (ГМС) выполняет комплекс функций по сбору информации о текущих значениях параметров геосистем, обработке этой информации в рамках имитационных моделей экологических и климатических процессов и по принятию оптимальных решений. Различают ГМС локального (стационарные средства регистрации, опробования, анализа), регионального (авиационно-космические средства) и глобального (космические средства) масштаба.
Аппаратура, установленная на спутниках, обеспечивает регистрацию цифровой информации в видимом, ближнем инфракрасном и тепловом диапазонах электромагнитного спектра. Решаются задачи природопользования и экологического контроля:
- классифицируются земные покровы, фенологические фазы и болезни растений, вызываемые антропогенными воздействиями;
- оценивается газовый состав атмосферы;
- выполняется слежение за водной и ветровой эрозией почв:
- определяются границы снежного покрова, затопления и разливов рек;
- идентифицируются многие антропогенные изменения в окружающей среде, например, лесные пожары;
- контролируется состояние озонового слоя.
Аэрокосмические методы дистанционного измерения представляют широкие возможности для изучения естественной и сельскохозяйственной растительности, определения запасов биомассы и ее продуктивности. Наблюдения за дымовыми выбросами позволяют установить по степени прозрачности факелов плотность частиц в них. Примеси, составляющие такой факел, можно определить по поглощению радиации в соответствующих зонах поглощения различными газами. Использование данных спутникового дистанционного зондирования открывает возможность обнаружения фактов нарушения природоохранного законодательства, локализации и установления источников загрязнения. Не исключено поэтому, что спутниковая информация станет доминирующей при контроле за аварийными и нелегальными разливами нефтепродуктов в условиях транспортных операций.
Методы дистанционного зондирования являются единственным средством получения экологической информации на больших площадях с высоким пространственным разрешением в реальном масштабе времени.
Удовлетворение требований оперативности, обзорности и объективности оптимизируется путем сочетания многоспектральной космической съемки и сети фиксированных станций наземного базирования.
Контроль окружающей среды с помощью наземных средств измерений многообразен (автоматизированные системы контроля качества воздуха, стационарные посты пассивного мониторинга, лидары, телеметрия). Таким образом, вырисовывается система мониторинга окружающей среды: «космос – воздух – земля», которая позволяет отследить изменения во всех сферах Земной оболочки.
Рассмотрение существующих возможностей для развития экологического мониторинга в России дает представление о значительных разработках в этой области. Однако практическое внедрение различных комплексов и систем на данном историческом этапе развития России осуществляется крайне медленно. Такой ситуации способствует комплекс сопутствующих проблем, охватывающий широкий перечень вопросов – от бюрократических до экономических. Преодоление главной из них – психологической, т.е. к внедрению в сознание населения России неизбежности и жизненной необходимости решения проблем экологии, становится краеугольным камнем в переходе России на более новый качественный уровень в области охраны окружающей среды и самой жизни.