| Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Филиал в г. Сызрани РЕФЕРАТ по дисциплине «Экология» на тему «Использование достижений космонавтики для исследования экологических проблем». Сызрань 2007 |
Введение
Уже сегодня космонавтика помогает искать природные кладовые и вместе с тем выявлять те центры деятельности человека, которые оказывают или могут оказать отрицательное воздействие на среду. Спутники как нельзя лучше подходят для наблюдения за биосферой, атмосферой, акваториями планеты. Приятно удивляет поразительная согласованность сроков становления космонавтики и назревания серьезных проблем, требующих ее вмешательства. В последние годы, считают ученые Р. Сагдеев и Ю. Зайцев, все более отчетливо обозначается крутой поворот в развитии космических исследований, определяющих выдвижение на передний план проблематики, связанной с использованием космической техники в изучении окружающей среды и природных ресурсов Земли. Когда-нибудь в повестку дня научных исследований будут записаны уникальные экологические эксперименты, соотнесенные с освоенным космосом, ведь человек становится космической силой. Обострение экологических проблем на нашей планете, в том числе связанных с добычей полезных ископаемых, требует постоянного мониторинга состояния природной среды, для которого в наше время необходимо привлечение космических средств наблюдения. Возможности их использования в экологическом мониторинге широко раскрываются в новом научно-методическом атласе "Космические методы геоэкологии", который вышел в свет в 1998 г. Этот атлас подготовлен лабораторией аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ как продолжение серии атласов по дешифрированию космических снимков, выпущенных в международной кооперации в предшествующие годы (1982, 1988). Новый атлас, посвященный применению космических методов для решения экологических задач, показывает пути применения космических снимков в геоэкологическом мониторинге и при решении экологических проблем — глобальных и региональных, относящихся, в основном, к России и сопредельным территориям.
Атлас отражает взаимодействие космонавтики с экологией, он обобщает опыт и достижения в использовании космических методов в геоэкологии на середину 90-х годов. В атласе охарактеризованы возможности дистанционного зондирования в исследовании глобальных экологических проблем: потепления климата, потери биомассы растительности, истощения озонового слоя. Более детальная характеристика дается для России и сопредельных территорий, где характеризуются региональные экологические проблемы, связанные с колебаниями уровня моря, загрязнением воздуха и вод, антропогенным воздействием в различных природных условиях — в зонах тундр, лесов, степей, пустынь. Проблемы обезлесения, эрозии, опустынивания, техногенного воздействия при добыче полезных ископаемых, воздействия в промышленных районах, проблемы, связанные с урбанизацией и управленияем природными ресурсами, а также с природными катастрофами и охраной природы, рассматриваются на примерах Европейской России, Западной и Восточной Сибири и многих других районов. Хотя материалы атласа связаны, в основном, с Россией, разработанные методы могут быть успешно применены для решения аналогичных проблем в других странах.
Вопросам, связанным с антропогенным воздействием на природу при добыче и переработке полезных ископаемых, посвящен специальный раздел атласа (14 листов из 104), и кроме того они затрагиваются в других разделах, прежде всего о загрязнении воздуха и вод, источники которого нередко связаны с горными разработками или нефтедобычей. Разделы атласа об антропогенном воздействии в разных природных зонах также частично построены на материалах воздействия нефтегазовой и горнодобывающей отраслей промышленности. Это можно показать на нескольких примерах.
Загрязнение воздуха
Загрязнение воздуха исследуется по космическим снимкам опосредованно, через загрязнение снежного покрова. Методика такого косвенного дешифрирования разработана В.Г.Прокачевой, В.Ф.Усачевым, Н.П.Чмутовой на примере района угледобычи в Воркутинском бассейне.
Загрязнение атмосферного воздуха далеко не всегда находит непосредственное отображение на космических снимках; однако, на снимках, полученных в период снеготаяния, хорошо видны районы загрязненного снега вокруг промышленных центров. Для выявления возможности их использования в целях изучения загрязнений важно сопоставить изображение с результатами наземных наблюдений. Такие исследования проведены Государственным гидрологическим институтом Роскомгидромета. В атласе показаны на снимках с вертолета источники загрязнения в Воркутинском районе — дымовые шлейфы, инверсионные иглы, образующиеся при слабом ветре и устойчивой стратификации атмосферы; приведены наземные фотоснимки снежной толщи, сделанные в шурфах в районе Воркуты. Полевые исследования снежного покрова и наблюдения с вертолета, проводившиеся вдоль маршрута, пересекающего Воркутинский промышленный район с юга на север, использовались для определения ряда показателей — альбедо снежного покрова и степени покрытия территории снегом, модуля загрязненности, гранулометрического состава твердых отложений в пробах снега и значений pH талой воды. Эти показатели и их динамика сопоставляются с изображением района на космических снимках. Такое сопоставление снимков с результатами наземных наблюдений помогает ответить на вопросы, чему соответствуют границы ореолов загрязненного снега, изобразившихся на снимках, под влиянием каких факторов они образуются и каковы пространственно-временные закономерности формирования пятен загрязнения.
Примеры использования этой методики и изучения загрязнения воздуха в районах горной добычи по зимним космическим снимкам относятся к Кузбассу, Экибазстузскому угольному бассейну, Южно-Якутскому угольному комплексу, Аркагалинскому месторождению угля в горах Северо-Востока.
Кузнецкий угольный бассейн, характеризующийся сочетанием воздействия на природу, помимо угледобычи, также черной металлургии, теплоэнергетики и цветной металлургии, расположен в котловинообразном понижении между хребтами Салаирским Кряжем и Кузнецким Алатау, где в условиях сибирского антициклона создается возможность для застаивания загрязняющих веществ. Воздействие на природу трех названных отраслей сочетается с сильными нарушениями поверхности горнодобывающей промышленностью.
На приведенном в атласе снимке со спутника "Ресурс О-1", сделанном 31 марта 1990 г., выделяются темные пятна загрязненного снега, объединяющиеся в районе Белово, Ленинска-Кузнецкого и Промышленной в единый загрязненный массив протяженностью 120 км и шириной 50 км. Однако, по результатам анализа материалов неоднократных весенних съемок, выполненного сотрудниками Государственного гидрологического института, здесь выделена значительно более обширная единая область загрязнения снежного покрова протяженностью около 370 км при ширине 100 км, объединяющая зоны загрязнения промышленных центров Кемерово, Ленинска-Кузнецкого, Белово, Прокопьевска, Киселевска, Новокузнецка, Осинников, Междуреченска. Она также показана на приведенной в атласе схеме. Эти материалы говорят о том, что проекты дальнейшего развития здесь цветной металлургии и электроэнергетики должны обязательно проходить экспертизу и получать экологическое обоснование.
Другой снимок, для района Севрного Казахстана, иллюстрирует воздействие угледобычи в Экибазстузском районе . Открытая добыча каменного угля сопровождается загрязнением поверхности угольной пылью в радиусе 20-30 км, чему способствуют частые ураганные ветры и пыльные бури. Этот ореол загрязнения хорошо выделяется на зимнем снимке. Открытые склады угля, золоотвалы, газопылевые выбросы ГРЭС обусловливают образование очагов рассеяния загрязняющих веществ также и вокруг Павлодара.
Приведенный в атласе снимок на район Нерюнгри охватывает среднюю часть Станового хребта и южную окраину Алданского нагорья, прорезанную долиной р.Тимптон, правого притока р.Алдан. Интенсивное загрязнение снега связано с функционированием Южно-Якутского угольного комплекса. Открытая добыча угля, его перегрузка и транспортировка вызывают загрязнение атмосферы, концентрирующееся в депрессиях. Большое темное пятно протягивается на снимке от Нерюнгринского угольного разреза до станции Беркакит. Выделяются пятна загрязнения в районе поселков Чульман, Золотинка и Нерюнгринской ГРЭС.
Еще один пример относится к горам Северо-Востока в золотоносном районе в верховьях Колымы. Крупный ореол загрязнения вытянут по долине р.Эмтыгей от разрабатываемого здесь Аркагалинского угольного месторождения до ТЭЦ в поселке Мяунджа, снабжающей электроэнергией весь район. Другой большой ореол приурочен к городу Сусуман, где размещены энергоемкие производства горнодобывающей промышленности, и к близлежащим поселкам. Вытянутость его по долине р.Берелех связана с застаиванием воздуха при антициклональной погоде в течение долгой зимы.
Загрязнение вод
Загрязнение вод в связи с горнодобывающими работами показано на примерах речных, озерных и морских вод. Химическое загрязнение вод, влияющее на санитарные условия жизни людей, их здоровье, на космических снимках обычно не проявляется; для его обнаружения необходим лабораторный анализ проб воды. Однако, космические снимки позволяют получать информацию о механическом загрязнении рек, связанном с определенными видами антропогенной деятельности. Мощным источником техногенных наносов являются открытые карьерные разработки и заброшенные месторождения. В результате разработки полезных ископаемых трансформируются русла малых рек. Они сплошь перекапываются, например, при дражном способе разработки, поставляя в реки массы наносов. Примером является загрязнение вод р.Ангары при впадении в нее правого притока р.Большая Мурожная. Разработка расположенного здесь Северо-Ангарского золоторудного россыпного месторождения является причиной поступления в реку огромного количества наносов. Увеличение в сотни раз мутности вод ниже месторождения отображается на космическом снимке изменением тона изображения — река Большая Мурожная изобразилась светлым розовым цветом, в то время как чистые водотоки имеют очень темный тон; светлая полоска мутной воды прослеживается вдоль правого берега Ангары после впадения в нее Большой Мурожной даже ниже слияния с Енисеем. Совместное действие золотодобычи по правому берегу и лесоразработок с молевым сплавом древесины — по левому — превращают прежде чистейшую Ангару в "полосатую" реку; воздействие этих видов ее загрязнения протягивается вниз по течению более чем на сто километров.
Космические снимки дают хороший материал для изучения и мониторинга механического загрязнения внутренних водоемов взвешенными веществами. Возможности такого использования космических снимков иллюстрируются на примере озера Имандра — крупнейшего из озер Кольского полуострова, занимающего площадь 885 кв.км, которое в прежние годы славилось чистотой своих вод, ценными ресурсами сиговых рыб. С 1930-х годов озеро, находящееся в зоне действия крупнейших горнодобывающих и металлургических производств, испытывает сильное техногенное воздействие, проявляющееся в загрязнении вод взвесями, тяжелыми металлами, токсичными химическими веществами. По аэрофотоснимкам и космическим снимкам разных лет хорошо прослеживается динамика загрязнения озера взвешенными веществами, сбрасываемыми обогатительными фабриками комбината "Апатит". На приведенных в атласе аэрофотоснимках губы Белой 1958 г. видно, что до строительства дамбы в этой губе осуществлялся прямой сброс нефелиновой пульпы в озеро. После строительства дамбы прямой сброс взвесей прекратился, отходы апатитового производства стали накапливаться в отстойниках, созданных на месте губы Белой. Однако мелкие фракции все же просачивались сквозь дамбу, загрязняя акваторию озера, о чем свидетельствуют снимки 1973 и 1978 гг. В последние годы обогатительные фабрики комбината переведены на частичный внутренний водооборот, что позволило резко сократить сброс взвесей в озеро — шлейф выноса на снимках 1984 г. заметно уменьшился.
Представленные в атласе карты загрязнения акватории озера, составленные путем компьютерной обработки снимков, наглядно показывают это изменение ситуации и свидетельствуют, что космические снимки представляют хороший материал для мониторинга загрязнения внутренних водоемов.
Спутниковая информация в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах позволяет исследовать ряд элементов экологического состояния морских акваторий. На примере анализа космических снимков Финского залива, выполненного в Ленинградском отделении Государственного океанографического института Л.Л.Сухачевой и С.В.Викторовым, продемонстрирована возможность изучения по ним динамики водных масс, исследования областей повышенного содержания взвешенных веществ различного происхождения с оценкой их концентрации.
На приведенных в атласе космических снимках восточной части Финского залива и Невской губы вдоль ее северного и южного берегов наблюдаются зоны с повышенным содержанием взвешенных веществ; по данным натурных исследований они имеют в основном минеральное происхождение. Основным источником поступления взвеси является выполнение дноуглубительных и берегонамывных работ в районе Лахты и южнее Морского канала, которые проводились еще до того, как было начато строительство сооружений для защиты от наводнений — известной "дамбы", соединяющей остров Котлин с берегами. На мелководье мутность вод повышается также под воздействием ветра и волн.
Совместный анализ данных спутниковой съемки, авианаблюдений, судовых измерений прозрачности воды, а в отдельных случаях — концентрации взвесей при комплексных экспедиционных исследованиях в Невской губе позволили сотрудникам ЛО ГОИН перейти к количественным оценкам концентрации взвешенных веществ в выделяемых по спутниковым изображениям зонах разной мутности вод. При этом используются установленные для данного района зависимости между прозрачностью вод и концентрацией взвеси. Зоны с повышенной концентрацией взвесей четко выделяются на снимках светлым тоном на фоне более темных относительно чистых речных вод. Другие виды загрязнения, в том числе гидрохимическое, в используемом для зондирования из космоса оптическом диапазоне непосредственно не регистрируются и не отображаются на снимках.
Приведенные в атласе спутниковые изображения показывают, что в распределении зон с повышенным содержанием взвеси в Невской губе до и после строительства защитных сооружений существенных отличий не наблюдается. Анализ 20-летнего ряда авиационных и космических данных по Невской губе, содержащих около 300 изображений, позволил сотрудникам ЛО ГОИН сделать вывод об отсутствии существенного влияния дамбы на гидрологический режим Невской губы, за исключением участков, непосредственно примыкающих к дамбе, где регистрируются водные динамические образования, размеры которых соизмеримы с пропускными воротами "дамбы". Масштабы и интенсивность загрязнения Невской губы взвешенными веществами зависят в основном от гидрометеорологических условий и режима работы земснарядов.
В последние годы в связи с приостановкой дорогостоящих дноуглубительных и берегонамывных работ для Невской губы характерно уменьшение площади зон с высоким содержанием взвесей и меньшая их концентрация. Это, наряду с другими факторами, способствует улучшению экологического состояния Невской губы.