Служба наблюдений и контроля за состоянием атмосферного воздуха, как явствует из названия, состоит из двух частей, или систем: наблюдений (мониторинга) и контроля. Первая система обеспечивает наблюдение за качеством атмосферного воздуха в городах, населенных пунктах и территориях, расположенных вне зоны влияния конкретных источников загрязнения, вторая система обеспечивает контроль источников загрязнения и регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу.
Реализация первой задачи была возложена в 80-е годы XX века на Государственный комитет СССР по гидрометеорологии (Госкомгидромет СССР), а второй – на Государственный комитет СССР по охране природы (Госкомприроду СССР). Функции и задачи этих комитетов определены постановлением ЦК КПСС и Советом Министров СССР от 7 января 1988 г. № 32 «О коренной перестройке дела охраны природы в стране».
Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха проводятся в районах интенсивного антропогенного воздействия (в городах, промышленных и агропромышленных центрах и т.д.) и в районах, удаленных от источников загрязнения (в фоновых районах).
Наблюдения в районах, значительно удаленных от источников загрязнения, позволяют выявить особенности отклика биоты на воздействие фоновых концентраций загрязняющих веществ.
Как правило, фоновые наблюдения по специальной программе фонового экологического мониторинга проводятся в биосферных заповедниках и заповедных территориях. Биосферные заповедники расположены в Белоруссии (Березинский), на Кавказе (Кавказский), в Туркмении (Репетекский), в Киргизии (Сары-Челекский), на Дальнем Востоке (Сихотэ-Алинский), в центре Европейской части СССР (Центральночерноземный и Приокско-Террасный), в Забайкалье (Баргузинский) и Казахстане (станция Боровое).
В биосферных заповедниках осуществляется оценка и прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха путем анализа содержания в нем взвешенных частиц, свинца, кадмия, мышьяка, ртути, бенз(а)пирена, сульфатов, диоксида серы, оксидов азота, диоксида углерода, озона, ДДТ и других хлорорганических соединений. Программа фонового экологического мониторинга включает также определение фонового уровня загрязняющих веществ антропогенного происхождения во всех средах, включая биоту.
Кроме измерения состояния загрязнения атмосферного воздуха, на фоновых станциях производятся также метеорологические измерения.
Сеть фоновых станций, расположенная на территории СССР и европейских социалистических стран, включена в Глобальную систему мониторинга окружающей среды (ГСМОС), функционирующую под эгидой ЮНЕП. Информация, получаемая с фоновых станций, позволяет оценивать состояние и тенденции глобальных изменений загрязнения атмосферного воздуха.
Фоновые наблюдения проводятся также с помощью советских научно-исследовательских судов в морях и океанах, в частности, в наиболее удаленных от берегов районах Тихого и Атлантического океанов.
При наблюдении за фоновыми уровнями загрязнения атмосферного воздуха разрабатываются модели переноса примесей и определяется роль в процессах переноса гидрометеорологических и техногенных факторов. На фоновых станциях исследуются и уточняются критерии создания сети наблюдений, перечни контролируемых примесей, методики контроля и обработки данных измерений, способы обмена информацией и приборами, методами международного сотрудничества, его результатами.
Например, по международным соглашениям станция базисного и регионального мониторинга должна размещаться на расстоянии 40 – 60 км от крупных источников загрязнения с подветренной стороны. На территориях, примыкающих к станции, в радиусе 40 – 400 км не должен изменяться характер деятельности человека. Было также установлено, что пробы воздуха должны отбираться на высоте не менее 10 м над поверхностью растительности.
На станциях фонового мониторинга наблюдение за качеством атмосферного воздуха осуществляется по физическим, химическим и биологическим показателям.
Необходимость организации контроля загрязнения атмосферного воздуха в зоне интенсивного антропогенного воздействия определяется предварительными экспериментальными (в течение 1 – 2 лет) и теоретическими исследованиями с использованием методов математического и физического моделирования. Такой подход позволяет оценить степень загрязнения той или иной примесью атмосферного воздуха в городе или любом другом населенном пункте, где имеются стационарные и передвижные источники выбросов вредных веществ.
Обычно расположение источников выбросов и их параметры известны или их можно определить. Зная метеорологические параметры, в том числе поле ветра, можно с использованием математических и физических моделей рассчитать поля концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для любой ситуации. Но адекватность принятых моделей реальным ситуациям все равно должна проверяться экспериментально.
Для получения репрезентативной информации о пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха, нужно предварительно провести обследование метеорологических условий и характера пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха с помощью передвижных средств. Для этого чаще всего используется передвижная лаборатория, производящая отбор, а иногда и анализ проб воздуха во время остановок. Такой метод обследования называется рекогносцировочным. Он находит достаточно широкое применение за рубежом.
На карту-схему города (населенного пункта, района) наносится регулярная сетка с шагом 0,1; 0,5 или 1 км. На местности по специально разработанной программе случайного отбора проб отбираются и анализируются пробы в точках, совпадающих с узлами сетки, наложенной на карту-схему. Для получения статистически достоверных средних значений измеренных концентраций проводится анализ комбинаций точек на сетке, объединенных в квадраты, например, площадью 2 – 4 км2, с учетом направлений
ветра по румбам. Такой метод позволяет выявить как границы промышленных комплексов и узлов, так и зоны их влияния. При этом обеспечивается возможность сравнения полученных результатов с расчетными данными математических моделей. Использование методов моделирования в этих работах является обязательным.
Если обнаруживается, что существует вероятность роста концентрации примеси выше установленных нормативов, то за содержанием такой примеси в выявленной зоне следует установить наблюдение. Если же такой вероятности нет и отсутствуют перспективы развития промышленности, энергетики и автотранспорта, установление стационарных постов наблюдений за состоянием атмосферного воздуха нецелесообразно. Такой вывод не распространяется на организацию наблюдений за фоновым уровнем загрязнения воздуха вне населенных пунктов.
Установив степень загрязнения атмосферного воздуха всеми примесями, выбрасываемыми существующими и намечаемыми к строительству и пуску источниками, а также характер изменения полей концентрации примесей по территории и во времени с учетом карт загрязнения воздуха, построенных по результатам физического и математического моделирования, можно приступить к разработке схемы размещения стационарных постов наблюдений по территории города и программы их работ.
Программа разрабатывается исходя из задач каждого измерительного пункта и особенностей изменчивости концентрации каждой примеси в атмосферном воздухе. Пост наблюдений может давать информацию об общем состоянии воздушного бассейна (если пост находится вне зоны влияния отдельных источников выбросов) и осуществлять контроль за источниками выбросов (если пост находится в зоне влияния источников выбросов).
При размещении постов наблюдений предпочтение отдается районам жилой застройки с наибольшей плотностью населения, где возможны случаи превышения установленных пороговых значений гигиенических показателей (ПДК). Наблюдения должны проводиться за всеми примесями, уровни которых превышают ПДК.
В обязательном порядке измеряются основные, наиболее часто встречающиеся загрязняющие воздух вещества:
ü пыль;
ü диоксид серы;
ü оксид углерода;
ü оксиды азота.
Выбор других веществ, требующих контроля, определяется спецификой производства и выбросов в данной местности и частотой превышения ПДК.
Контроль в зонах интенсивного антропогенного воздействия на атмосферный воздух осуществлялся более чем в 460 городах Советского Союза. Из них в 315 городах более чем на 1100 стационарных пунктах проводится систематический контроль (три раза в сутки). В лабораториях Госкомгидромета СССР ежегодно проводились свыше 5 млн. анализов для определения основных и специфических загрязняющих веществ.
Контроль за радиоактивным загрязнением атмосферного воздуха осуществляется как на фоновом уровне, так и в зонах влияния атомных электростанций и других источников возможных выделений или выбросов радиоактивных веществ. При контроле радиоактивного загрязнения на фоновом уровне используются существующие фоновые станции или специальные станции, установленные на расстоянии 50 – 100 км от возможного источника радиоактивного загрязнения. При контроле в радиусах до 25 км от возможных источников выбросов радиоактивных веществ используется как существующая сеть контроля, так и специальные посты наблюдений, где устанавливаются датчики гамма-излучения и приборы для отбора проб и анализа воздуха.
Рекомендуется в зоне до 25 км иметь 10 – 15 специализированных пунктов контроля, оснащенных дистанционными системами и высокопроизводительными фильтрующими воздух установками, а также около 30 дополнительных стационарных пунктов контроля радиационной обстановки, оснащенных интегрирующими термолюминесцентными дозиметрами. При этом в пределах санитарно-защитной зоны создаются посты дистанционного контроля радиоактивного загрязнения атмосферного воздуха. Подсистемы дистанционного контроля оборудуются каналами связи, и для повышения достоверности информации в каждом пункте устанавливается несколько датчиков.
В 80-е годы ХХ века на базе сетевых снегомерных съемок, проводимых республиканскими и территориальными управлениями Госкомгидромета СССР по инициативе и под методическим руководством Института прикладной геофизики имени академика Федорова Е.К., была создана новая сеть контроля переноса загрязняющих веществ воздушными массами. Мониторинг загрязнения территории СССР на основе снегомерной съемки позволял контролировать уровни загрязнения атмосферного воздуха как в незагрязненных (фоновых) районах, так и в городах и других населенных пунктах.