Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

ЕКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Екологічна безпека регіону: методи та засоби її забезпечення в умовах виникнення екстремальних ситуацій у навколишньому середовищі

Лагутін Володимир Михайлович

УДК 504. 05

Спеціальність 21.06.01 - екологічна безпека

Харків - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор Кузін Олександр Костянтинович, Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шмандій Володимир Михайлович, Кременчуцький державний політехнічний університет, м. Кременчук, завідувач кафедри екології

кандидат технічних наук Грінь Світлана Олександрівна, Національний технічний університет “ХПІ”, м. Харків, доцент кафедри хімічної технології та промислової екології

Провідна організація: Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться 24.12.2004 р. о 13-30 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.812.01 в Українському науково-дослідному інституті екологічних проблем за адресою: 61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського науково-дослідного інституту екологічних проблем (61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6).

Автореферат розісланий 22.112004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Жуковський Т.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

екологічний небезпека регіональний аномалія

Актуальність теми. Середовище проживання у будь якому урбанізованому регіоні України, а також процеси, що виникають у ньому, неоднозначні та мають безліч екологічних проблем, які спричиняють небезпеку для існування людини та біоти загалом.

Останнім часом дослідження з проблем екологічної безпеки (ЕБ) активно проводяться такими провідними фахівцями, як Данілішин Б.М., Дорогунцов С.І., Лісіченко Г.В., Мойсеєв М.Н., Качинський А.Б., Фролов К.В., Шмандій В.М., Яковлєв Є.О., Трофімчук О.М., Реймерс М.Ф. та іншими.

Стверджується, що необхідно розробляти теорію розвитку регіону, а це потребує створення спеціальної наукової програми, в якій було б визначено проблематику шляхів вирішення екологічної безпеки в умовах виникнення критичних ситуацій у природному оточуючому середовищі.

Особливості метеоекологічної, космогеліогеофізичної та ландшафтної специфіки при неконтрольованих обставинах особливих станів середовища проживання призводять до виникнення екстремальних ситуацій (ЕС), вплив яких і наслідки є суто індивідуальними для кожної людини.

Прогноз щодо кризово-катастрофічного стану організму може бути сформований на базі аналізу динаміки змін зовнішнього середовища, коли інформація надходить від засобів моніторингу. Важливим завданням стає обгрунтування принципів побудови регіональної системи екологічної безпеки, покликаної знизити ризики при порушенні фізіологічних функцій у професійній діяльності під час ЕС, що дозволить прийняти ряд превентивних заходів попередження особливої категорії працюючих людей та хворих.

До природних екологічних ЕС у довкіллі поряд з іншими відносяться: збудження магнітного поля (МП) Землі, гравітаційні сонячно-місячні ритми, метеорологічні аномалії, зміни в озоновому шарі, що призводять до зростання ультрафіолетового (УФ) випромінювання Сонця, яке впливає на виникнення імунодефіциту людини, а також на виникнення умов накопичення токсичного озону у приземній атмосфері і тощо.

Управління екологічною безпекою буде ефективним при впровадженні інформаційно-аналітичних систем (ІАС), призначених для автоматизованого виявлення екологічних ЕC та оцінювання рівня ризику захворювань робітників (операторів) на підприємствах з небезпечними виробничими циклами.

Ефективність прогнозу та профілактичних заходів у критичних ситуаціях стримується через відсутність необхідної інформації в момент прийняття відповідальних медико-екологічних рішень, що допомогло б запобігти надмірним госпіталізаціям і некерованому розвитку екологічно небезпечних явищ.

У зв'язку з цим у дисертації вирішуються актуальні науково-практичні задачі встановлення особливостей формування природної складової екологічних небезпек регіону, розвитку на цій основі теоретичних засад та удосконалення методів та засобів контролю та прогнозу екстремальних станів в інтересах управління екологічною безпекою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертація виконана згідно з “Основними напрямками державної політики України в галузі охорони довкілля, використання природних ресурсів і забезпечення екологічної безпеки”, визначених Постановою Верховної Ради України від 27. 02. 1997 р.

Матеріали дисертаційної роботи використані у темах: №185-1, держреєстрація №0193U039089; №280 “Дослідження системних характеристик екогеофізичного моніторингу в інтересах раннього попередження про кризовий стан здоров'я людини”, №0194U004677 держреєстрації; №380 “Розробка автоматизованої вимірювальної системи для моніторингу екологічного стану повітряного середовища у районах розміщєння промислових підприємств”, №0296U006004 держреєстрації.

Мета і задачі досліджень

Метою дисертаційних досліджень є подальший розвиток наукових основ побудови регіональної системи управління екологічною безпекою на основі удосконалення засобів і методів моніторінгу екстремальних станів природного середовища.

Для досягнення вказаної мети були поставлені та вирішені такі задачі:

1. Визначення загальних закономірностей формування екологічної небезпеки на регіональному рівні та особливостей її природної складової в екстремальних ситуаціях збудження магнітного поля Землі.

Розвиток концепції управління екологічною безпекою, яка включає моніторинг космофізичних та атмоантропогенних факторів, прогноз, організацію телекомунікаційних засобів попередження про значущі чинники для населення небезпеки та для інформування осіб, що приймають відповідальні рішення.

Удосконалення дистанційних методів і засобів комплексного дослідження екологічно значущих аномалій стратосферного озону, ультрафіолетового випромінювання Сонця та удосконалення засобів моніторінгу токсичного приземного озону в інверсних ситуаціях атмосфери, що впливають на виникнення небезпеки від накопичення шкідливих речовин.

Об'єкт досліджень - процес моніторінгу ЕС, прогнозування та управління регіональною екологічною безпекою.

Предмет досліджень - методи та засоби управління ЕБ регіону, умови та напрямки використання теоретичних розробок для прогнозування та зниження ризику екологічної небезпеки від екстремальних природно-техногенних навантажень.

Методологія та методи досліджень

Методологічна основа теоретичних досліджень базується на використанні еволюційно-кібернетичних ідей у вивченні екологічної небезпеки, системного аналізу та моделювання, синергетичних підходів під час оцінювання небезпек за одноразової дії низки факторів, прогнозування екстремальних ситуацій на основі динамічних експертних систем.

Щодо специфіки досліджень в роботі застосовувалися методи: теорії вирогідності та математичної статистики; теоретичних основ метрології та вимірювальної техніки; теорії планування експериментів і натурних спостережень, аналізу та узагальнення науково-технічної інформації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

Запропоновано комплексний підхід і модель лідарного визначення варіацій концентрації стратосферного озону та небезпечних аномалій ультрафіолетового випромінювання Сонця. Вперше на основі оригінальної розробки ексімерного лазера удосконалено метод і лідар диференційного поглинання в системі підсупутникового забезпечення котролю висотного розподілу концентрації озону у стратосфері [1, 5].

Встановлено закономірності формування еконебезпеки при аномаліях магнітного поля Землі. Експериментально встановлено флікерний закон спектра варіацій магнітного поля Землі, на фоні якого виявляються аномалії в період мінімума сонячної активності більш небезпечними (летальними для біосистем) [1, 4].

Дістали подальшого розвитку наукові засади побудови концепції регіональної системи управління екологічною безпекою, відмінність якої полягає у тому, що моніторування та прогнозування здійснюється на базі відомостей про умови формування аномалій космогеліогеофізичних та атмоантропогенних небезпек, які обумовлюють екстремальні ситуації в навколишньому середовищі. Інтегративні оцінки небезпек запропоновано здійснювати сенсорами оптико-телевізійного біотестування та контролю інтенсивності підрахунку фотоімпульсів еталонів радіоактивності [3, 2].

Практичне значення одержаних результатів:

- впроваджено ексімерне джерело оптичного випромінювання та систему лазерного екологічного моніторингу озону, які запропоновано використовувати для виконання міжнародних зобов'язань України з озону (акти впровадження від 30.04.04 та від 07.05.04);

- розроблено та випробувано при багатодобовому моніторуванні вимірювач, який сканує простір для спостереження аномалій УФ сонячної радіації;

- розроблено концепцію побудови системи контролю ЕС, запропонованої для реалізації територіальної комплексної схеми охорони природи Харківського регіону;

- лідарний озонометр, уфіметр, алгоритмічний опис та основи побудови засобів обробки екологічної інформації використано у навчальному процесі в учбових курсах “Апаратура контролю забруднень”, “Синергетика” (акт впровадження від 12.05.04).

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційного дослідження автором отримані особисто. В працях, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить: у роботі [5] - методика досліджень, алгоритм обробки та результати вимірювань озону, а також основи побудови ексімерного джерела випромінювання для системи дистанційного озонозондування; у роботі [6] - методика побудови інформаційної системи персонального оповіщення про кризові ситуації з урахуванням можливостей європейських стандартів RDS телекомунікаційних технологій; у роботі [2] - методика та засіб оптико-телевізійного моніторування аномалій зовнішньо-середовищних дій на основі мікробіологічного тестування; у роботі [1] - аналіз і визначення аномальних флікерних процесів МП у регіоні та реакція організму на них; у роботі [9] - методологія створення алгоритмів оцінювання ризику та особливості побудови системи попередження про аномальні ситуації.

Апробація результатів роботи.

Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень повідомлені й обговорені: на Міжнародній конференції “Радиоэлектроника в медицинской диагностике”, м. Москва, 1995 р.; на Міжнародній конференції “Теория и техника передачи и обработки информации”, м. Туапсе, 1995 р; на VI-му Молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI столетии”, м. Харків 2002 р. та на секції “Прикладная радиоэлектроника в медицине и экологии” 1-го Міжнародного радіоелектронного форуму “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”, м. Харків, 2002 р.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 10 працях, з них: у колективній монографії (розділ 1), 4-х статтях у наукових збірниках, у 5-х тезах доповідей та працях міжнародних конференцій.

Структура дисертаційної роботи. Робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 78 найменувань і 6-х додатків. Загальний обсяг роботи становить 140 сторінок, 12 рисунків, 6 таблиць, з додатками на 40 сторінках включно.

Основний зміст роботи

Вступ містить обгрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, формулювання мети і задач досліджень, наукової новизни, практичної цінності отриманих результатів. Надані відомості про особистий внесок автора, апробації та публікації результатів і структура дисертації.

У першому розділі наводиться аналіз результатів попередніх теоретичних і практичних досліджень з проблем екологічної безпеки.

Встановлено, що загальний стан екологічної безпеки в Україні зокрема в Харківському регіоні є досить складним. Зазначається, що для регіонального управління екобезпекою необхідно організувати міждисциплінарні дослідження середовища, враховуючи широкий спектр космофізичних, метео-екологічних, атмоантропогенних та інших проявів небезпеки. Слід підкреслити, що теоретичні напрацювання Інституту кібернетики НАНУ та практичні можливості урядової інформаційно-аналітичної системи в катастрофічних ситуаціях не повною мірою охоплюють небезпечні кризові явища та екстремальні умови в природі (збудження магнітного поля Землі, гравітаційні ритми, аномалії УФБ-випромінювання Сонця, метеорологічні явища тощо.), під час яких стресорні стани фізіологічних систем людини заздалегідь не можуть сприйматися на рівні суб'єктивних больових відчуттів.

В дисертаційній роботі розроблена концепція побудови регіональної системи екологічної безпеки, яка грунтується на даних моніторингу та прогнозуванні важливих для здоров'я людей ЕС в ІАС раннього попередження адміністративних органів, керівників підприємств з підвищеним ризиком праці та окремих користувачів. Запропоновані концептуальні підходи базуються на уявленнях про інтегровану безпеку (Дорогунцов С.І., Ральчук О.М. та ін.).

Екологічна безпека в межах регіону розглядається як складова національної безпеки (Косовцов В.О., Качинський А.Б. та ін.) та повинна входити до складу єдиної регіональної системи екстремальних ситуацій як окремий її сектор.

Подальший розвиток системи управління екологічною безпекою є вкрай необхідним, а це потребує розробки нових технічних засобів моніторінгу та підготовки фахівців, здатних впроваджувати інтелектуальні, експертно-аналітичні та телекомунікаційні засоби для формування широкопрофільної безпеки у конкретному регіоні.

Виходячи з аналізу вищезгаданих задач, автором сформульована значущість специфічних проблем екологічної безпеки та накреслені основні шляхи досліджень у напрямку її підвищення.

У другому розділі викладено розроблені в результаті дисертаційних досліджень основи аналізу формування екологічних небезпек, які спроможні викликати стресорні стани в організмі людини в умовах дії аномалій чинників зовнішнього середовища.

Оскільки рівень безпеки визначається оцінюваністю проявів небезпек, всеобічно аналізуються умови формування екологічних факторів, які так чи інакше залежать від сонячної активності.

Збудження на Сонці формують зміни корпускулярного потоку, який впливає на геофізичні поля незначної інтенсивності (появу інфразвуків, електричних явищ, збуджень магнітного поля Землі, радіаційних шарів тощо).

Визначено, що впливи мікродоз фізичних агентів на біосистеми останнім часом оцінюються як потенційні небезпеки, тому пошук кореляції між ними є вкрай необхідним для роботи інформаційно-аналітичної системи, призначеної для прогнозування, профілактики, попередження та управління безпекою загалом. Таким чином, екологічна небезпека розглядається як динамічна складова всіх факторів регіону, щоб забезпечити виявлення сумаційної їх дії.

У порівнянні з традиційними уявленнями визначена більш широка база геліоекологічних чинників, пов'язаних їз небезпечним впливом на людину. До них відносяться багаторічні варіації активності Сонця, що впливають на магнітне поле Землі. Протягом року спостерігається 27 - денна повторюванність у МП і виявляються варіації міжпланетного магнітного поля (ММП) у різних секторах земної орбіти. Крім періодичних, спостерігаються спонтанні збудження активності. Магнітне поле Землі є одним з головних екзогенних факторів небезпечного впливу.

У дисертації встановлено, що спектр сталих флуктуацій має флікерний характер, до якого здоровий організм адаптований. Такий спектр діючого МП створює умови слабкого та середнього стресу впродовж багатьох років життя людини, призводить до адаптаційного тренування функціональних систем і водночас є системоорганізуючим фактором - синхронізатором внутрішніх ритмів.

Іррегулярні пульсації МП з їх високою швидкістю зростання (так звані магнітні бурі) викликають в організмі значний стрес. Визначено, що початок відгуку організму і початок виникнення магнітної бурі не завжди співпадають, відрізняючись на 2 дні. Прояв дії магнітної бурі для здорових і хворих людей - однаковий. Спочатку спостерігається фаза гіперфункції організму, а потім - депресія. Проте основні ресурси хворого організму спрямовані на усунення зворотнього синхронізму (збудженъ флікерності), і тоді настає глибока депресія. Тяжкість реакції організму залежить не від типу захворювання, а від ступеня пов'язаності органів між собою.

Виявлено залежність добових змін ступеня проникнення мембран клітин від зміни нахилу вектора магнітного МП. Порушення функції клітин призводить до кризи всіх функціональних параметрів організму.

Визначено, що під час магнітних бур в умовах зниженого атмосферного тиску виникають інфаркти, а при підвищеному - інсульти, що запропоновано в алгоритмах оцінки ризику. Метеонавти складають 20% від тих, хто реагує на магнітні бурі.

Встановлено, що реакція організму на пульсації МП може з'явитися раніше за прояви фронту самої бурі, і, таким чином, сигналом небезпеки можуть стати зміни в середовищі, які їм передують і виявляються у кореляціях із землетрусами, ураганами, підвищеною концентрацією небезпечного радона, підсиленням акустичних шумів у атмосфері, виникненні електромагнітних хвиль (ЕМХ) дуже низьких частот тощо.

Задовго до появи аномалій МП на поверхні Землі реєструються радіовипромінювання на частотах 2800 МГц і 200 МГц, які дозволяють оцінити тенденції змін протягом сонячних циклів.

Проведено формування моделей чисельності госпіталізації людей щодо різного характеру небезпечних станів у психічно хворих під дією геомагнітних збуджень. Модель має вигляд поліному третього ступеня залежності захворюваності від величини планетарних К-індексів, зафіксованих в період повного циклу сонячної активності. Радіометричні та магнітометричні дані зафіксовані на деякій відстані від Харківського регіону. Відзначено, що фази зростання та спаду сонячної активності, а також рівень магнітної збудженості зі змінами потоку радіовипромінювання не співпадають, тому рекомендовано організувати моніторинг радіовипромінювання безпосередньо в Харківському регіоні.

Визначено, що в мінімумі сонячної активності спостерігається більше рецидивів психічних захворювань під час магнітних бур оскільки на підвищеному рівні фону геомагнітної активності (флікерного характеру) відбувається адаптація (тренування ресурсів організму) ще до початку дії іррегулярних флуктуацій, а в мінімумі така адаптація знижена, особливо у весняні періоди.

В дослідженнях сонячно-земних зв'язків запропоновано до впровадження просту модельну інтегральну систему контролю небезпек - космогеліогеофізичних факторів у вигляді результатів моніторингу інтенсивності випромінювань радіоактивних сцинтиляторів (РС). Така методика дозволяє встановлювати варіації РС, які залежать від впливу потоку сонячних нейтронів.

Встановлений зв'язок РС з аномалією компонентів вектора МП Землі рекомендовано для прогнозування небезпечних станів та їх загострення у хворих. Ці показники вирогідніше відображають вплив компонент вектора МП на біооб'єкти, ніж Кр(Ак) магнітних індексів.

При вирішенні задач безпечної дії випромінювання край високих частот (КВЧ) антропогенного походження показано, що атмосферні гази, такі як Н2О и О2, резонансно поглинають КВЧ, що надходить від Сонця. Тому поблизу цих частот дія КВЧ є більш впливовою ще до гранично-допустимого рівня щільності потоку і впливає на динаміку систем цілісного організму.

Встановлено, що небезпечна дія УФБ-диапазону сонячного випромінювання обумовлена порушенням імунітету в організмі, коли змінюється біоречовина чи функція хоча б однієї з популяцій макрофагів, до яких відносяться клітини Лангерганса.

Визначено, що дія УФБ упродовж 3-4-х годин викликає втричі більші порушення концентрації клітин Лангерганса у молодих людей і не змінює її у людей похилого віку. Ці дані дозволили кількісно оцінити ризики від дії УФБ і запропонувати алгоритми прогнозування в ІАС небезпечних станів.

Таким чином, результати дослідження, викладені у другому розділі дисертації, узагальнюють та розширюють наукові уявлення щодо специфіки фізіологічного впливу космогеліогеофізичних факторів (КГФ) природного середовища на людину, важливіших при формуванні регіональної екологічної небезпеки, та застосовуються для обгрунтування теоретичних і практичних засад управління безпекою.

У третьому розділі викладено результати дисертаційного дослідження сумарної дії техногенних і метеорологічних факторів середовища під час оцінювання і формування екологічної небезпеки.

Визначено, що в проблемі “Сонце-клімат-людина” головним є біоритмологічний підхід. Біологічні коливання близькі до основних геліогеофізичних циклів і лежать в основі всіх динамічних процесів.

Узагальнено дію зовнішніх аномальних метеофакторів (атмосферний тиск та опади, температура, зміни вітру, вологість, зміни концентрації кисню, рівень забрудненості повітря, особливо при інверсних умовах і при одночасних збудженнях МП Землі) на організм людини. Встановлено, що на дію метеорологічних факторів організм реагує зміною чутливості шкіряних рецепторів, а також функцій різних регуляторних систем, і таким чином формується небезпека у порушенні адаптації та опору організму. Динамічний ефект термічного дискомфорту в атмосфері формується при підсиленні атмосферної циркуляції. Водночас із довгоперіодичними геліокліматичними процесами існують геліометеорологічні зміни, пов'язані з обертанням Сонця навколо своєї осі. Природні синоптичні періоди (6-8 діб) обумовлюються вторгненням сонячної плазми, яка розігріває верхню атмосферу Землі, що згодом передається до її поверхні.

Доведено, що активізація природних і техногенних процесів збігається з реперними роками (максимумів) варіацій температури повітря. На реперні роки припадає 82% зароджень аномальних атмосферних процесів. Для підвищення безпеки від дії зовнішніх польових впливів на біотехносферу та соціально-економічні процеси рекомендовано впровадити медико-екологічне моніторування та інтелектуальні експертні системи управління регіоном. Визначено, що у таких мегаполісах, як Харків, в умовах суттєвого росту кількості автотранспортних засобів і збільшення викидів летючих органічних сполук (ЛОС), вихлопних газів (NOх; SO2; CO), твердих часток, поліциклічних ароматичних вуглеводів тощо, крім безпосереднього їх негативного впливу на здоров'я людей, які знаходяться у “епіцентрах” небезпеки, з'являється також токсичний приземний озон. Він виникає в умовах фотохімічних перетворень NOх та ЛОС під дією УФ випромінювання Сонця. Порогова величина допустимої дози О3 для людини складає 100 мкГ/м3 за 8 годин денної дії упродовж всього року. Фактори екологічної безпеки оцінюються за допустимою добовою нормою (ДДН) у мкГ/кг (ваги людини) та гранично допустимою концентрацією (ГДК) у мкГ/м3. Якщо для речовини (О3) існують порогові значення токсичності, тоді приймається концепція накопичення ризику за період всього життя. Допустимий ризик складає 10-6 (одне захворювання на мільйон людей).

Екологічні дослідження встановили залежність між концентрацією озону та загостренням респіраторних захворювань дорослих, якщо його дія триває 8 годин при зростанні концентрації на 10 мкГ/м3. У Харківському регіоні рекомендовано організувати моніторинг викидів на кордонах регіону, оскільки концентрація озону асоціюється із перенесенням фотохімічних забруднювачів.

У роботі визначені основні технічні характеристики апаратних засобів моніторингу озону та їх структури. Серед датчиків контролю О3 найбільш перспективними є сенсори на основі органічних напівпровідників та органічних барвників-сцинциляторів. Структурні схеми засобів контролю О3 одержані на базі аналізу та структурного синтезу цифрових радіоелектронних засобів, узгоджених з форматами сигналів ІНТЕРНЕТ і сотової мережі.

Запропоновано структурну схему організації контролю інверсних станів температури методами дистанційного вимірювання ультракороткохвильових (УКХ) флуктуацій сигналів, які багатопроменевим способом розповсюджуються над територією, де складаються інверсні умови в атмосфері. В роботі наведена умовна карта, на якій показано розташування передавача та приймачів, що дозволяють реєструвати інверсії. Рекомендовано в найбільш небезпечних місцях додатково встановлювати щогли з температурними датчиками, а дані вимірів транслювати в інформаційно-аналітичний центр (ІАЦ).

Безпосередні температурні вимірювання організуються для визначення інформаційної надійності системи дистанційного вимірювання інверсних станів. Інформація про те, коли встановлюються небезпечні умови накопичення газів, передається для формування управлінських рішень про зміну транспортних потоків і технологічних режимів роботи тих підприємств, викиди яких становлять вагому частку там, де екологічний стан є найбільш несприятливим - в умовах інверсії.

Таким чином, у розділі наведені результати досліджень, що складають наукову базу оцінювання впливу метерологічних факторів на небезпечні умови, що формують основу для розвитку та впровадження алгоритмічних, апаратних засобів управління та прогнозування екологічного стану в інтересах екологічної безпеки регіону.

У четвертому розділі наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень небезпечних природно-техногенних аномалій, які впливають на зменшення концентрації стратосферного озону. Такі умови можуть виникати через підвищення концентрації стратосферного аерозолю або появу хлорфторвміщуючих речовин антропогенного походження. Встановлено, що зменшення концентрації озону в стовпі призводить до змін термодинамічних умов у стратосфері, що впливає на термічний баланс і глобальні зміни клімату. Зростання потоку УФБ-випроміненя на поверхні Землі викликає небезпечні порушення в імунітеті біосистем. Україна підписала Монреальський протокол і Віденську конвенцію, згідно з якими забов'язалася контролювати стратосферний озон і створювати безпечні екологічні умови у разі викидів фреонів для зменшення впливу УФБ на живі об'єкти. Озонові аномалії, що з'являються над Євроазійським континентом, мають розмір близько 1000 км і наближаються до 45 північної широти, тобто сягають широт України.

У дисертаційній роботі теоретично досліджено особливості методу диференційного поглинання під час лазерного дистанційного зондування висотного розподілу озону (ВРО).

Оптичні властивості озону такі, що коефіцієнти поглинання у діапазоні 300-340 нм можуть бути використані для лідарного зондування часток повітря до рівня висот 50-60 км, де концентрація озону вже незначна, а сигнал релєєвського розсіювання ще достатній для визначення концентрації озону із похибкою 10-15%. Таким чином, для реалізації методу було створено імпульсний лазер з довжиною хвилі у згаданому діапазоні. Для використання диференційної технології водночас проведене зондування атмосфери на більш довгих хвилях, коли поглинання їх у діапазоні висот 0-60 км є незначним і може бути теоретично оцінено, спираючись на дані стандартної атмосфери.

За беспосередньої участі автора були проведені теоретичні та експериментальні дослідження зі створення УФ ексімерного ХеСІ-лазера, який використовувався під час дистанційного зондування стратосферного озону.

На рис. 1. наведена функціональна схема локаційної станції оптичного діапазону (лідар), який розроблено та впроваджено у моніторинг озону вперше в Україні та СНГ. На схемі ХеСІ-лазер (1) за допомогою поворотного дзеркала (12) випромінює вертикально енергію в імпульсі тривалістю 30 нс. Відбиті атмосферою сигнали, розсіювані частками повітря, приймаються телескопом (13), діаметр якого становить 0,7 м, фільтруються інтерференційним фільтром Ф зі смугою пропускання 10 нм, і за допомогою УФ фотоелектронного помножувача ФЕП-136 (4) перетворюються на потік окремих фотоелектронів, випадкових у прострорі та часі. В подальшому потік фотоелектронних імпульсів підсилюється та формується у блоках (5, 6) і потрапляє на багатоканальну систему (10) накопичення. Синтезатор (9) формує імпульси запуску системи модуляції (3) та апаратури статистичної обробки сигналів (1). Система функціонує за умови перетинання обтюратором (8) входу ФЕП, коли випромінюється сигнал зондування. Високі потенційні можливості лідара та якісні експериментальні результати були одержані завдяки тому, що автору вдалося досягти високої потужності та стабільності енергетичних параметрів створеного ним ХеСІ-лазера.

Застосування двохвильового зондування та даних стандартної атмосфери дозволило виділити вплив аерозольної складової на результати вимірювання озону.

Дослідження залежності концентрації озону nO3 від висоти R проводилося за оригінальною методикою із застосуванням модифікованого рівняння лазерної локації просторової цілі, якою є атмосфера.

N(R)=W0AKврл(R)ДRR-2exp{-2-2

-2}, (1)

де N(R) - енергія прийнятого сигналу, відбитого атмосферою; W0 - енергія в імпульсі ексімерного лазера 0,1 Дж; A - площа приймального телескопа; K - ефективність приймально-передавальної системи; (R) - повний об'ємний коефіцієнт розсіювання атмосферним повітрям на висоті R; а, m, nO3O3 - коефіцієнти відповідно: аерозольного, молекулярного та озонового поглинання; ДR - висотний інтервал зондування (дозвільна здатність зондування за висотою); довжина хвилі ХеСІ-лазера складає 308 нм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Функціональна схема локаційної станції оптичного діапазону (лідар)

За умови зондування озону на одній хвилі (=308 нм) із використанням даних стандартної атмосфери модифіковано модель зміни концентрації nО3, яка визначається із співвідношення:

, (2)

де T(R) - залежність температури від висоти, взятої зі стандартної атмосфери; K2m, K2a - функції, відповідно, молекулярного та аерозольного поглинання, розраховані з даних стандартної атмосфери.

На рис. 2. наведені дані ВРО та висотна зміна його концентрації у стовпі, одержані лідаром у середніх широтах на українській лідарній станції на узбережжі Чорного моря. Для виключення впливу аерозолю запропонована методика одночасного зондування щільності повітря у стратосфері на хвилі 586 нм. Одержані дані досліджень збігаються з даними закордонних вимірювань на тих самих широтах (Франція, Англія тощо).

У Харківському регіоні створено аналогічний комплекс озонолідарних досліджень, який дозволяє у нічний час моніторувати небезпечні стани в озоносфері регіону та над Україною вцілому з метою виконання міжнародних зобов'язань за Монреальським протоколом.

Щоб підвищити екологічну безпеку в регіоні, треба гарантувати оцінювання стану озоносфери цілодобово. Для таких випадків лазерний метод диференційного поглинання було доповнено методикою вимірювання динаміки УФБ беспосередньо за реєстрацією випромінювання Сонця на хвилях 300 нм і 326 нм. У дисертаційній роботі аналізується функціональна схема створеного двоканального уфіметра, який програмно сканує за диском Сонця. За допомогою бленд і фільтрів у смузі 10 нм сформовано кут поля зору 3,5. Достовірність методу було гарантовано результатами експериментальних досліджень спектральних характеристик ФЕП, фільтрів і всього тракту кожного з каналів при метрологічно гарантованих характеристиках спектральних ламп у різних температурних умовах середовища, де експлутується уфіметр. При цьому використовувалася також форма спектра випромінювання Сонця S(), який доходить до поверхні Землі при висоті Сонця 60.

Чутливість уфіметра і точність виміру порівнювалися під час дослідження нескануючим стандартним озонометром М-124.

Методом структурного синтезу визначена схема КВЧ цілодобового всепогодного озонометру, що функціонує в діапазоні 142 ГГц. Кореляційні дані, одержані запропонованим уфіметром і лідаром, складають базу даних ІАС, яка буде накопичуватися та уточнюватися із супутникових досліджень над Харківським регіоном. Безпечні рівні появу аномалій УФБ над регіоном можуть бути гарантовані оцінкою з 90% вирогідністю виявлення при величині вирогідності хибної тривоги близько 10%.

Рис.2. Дані висотного розподілу озону та висотна зміна його концентрації у стовпі

П'ятий розділ присвячений безпосередньо розробці ІАС.

Управління екологічною безпекою регіону в умовах небезпек природного походження - це складний багатофункціональний процес, який реалізується в ІАС.

В останні роки спостерігається тенденція зближення медико-екологічних проблем та екстремальних станів у межах однієї наукової та методологічної основи - медицини критичних станів (МКС), темпи розвитку яких не сумірні з темпами терапевтичної практики. В реальних умовах розвитку ЕС ефективність експертиз стримується через відсутність необхідної інформації. Телекомунікаційний доступ експерта до необхідної інформації в момент прийняття рішень підвищує ефективність прогнозу захворювань без залучення додаткових допоміжних спеціалістів і матеріальних ресурсів. Таким чином, інформація є єдиним ресурсом, який накопичується у вигляді знань сучасників і попередників. При управлінні екологічною безпекою в ЕС головним є оперативне реагування на несприятливі екологічні стани. За допомогою інтелектуальних систем інформація трансформується у реальному часі та відбувається моделювання ЕС. При всіх значних можливостях ІНТЕРНЕТ визначено, що економічно ефективніше впроваджувати регіональні комп'ютерні мережі, яким легше скористатися можливостями стратегічної інформаційної мережі у рамках Єдиного Інформаційного Простору (ЄІП). ЄІП, як середовище, забезпечує доступ зацікавлених організацій та окремих суб'єктів до медико-екологічної інформації, а також її збирання та розповсюдження для підтримки прийняття управлінських спеціалізованих рішень.

Запропонована регіональна мережа, в свою чергу, має мережі пакетної комутації, які співпадають із міжнародним протоколом Х 25, що дозволяє розвинути інфраструктуру регіональних зв'язків між екологічними, метеорологічними, медичними та адміністративними органами управління без великих затрат.

У роботі визначено, що значне зниження ризиків у всіх сферах життєдіяльності громадян, в тому числі при забезпеченні екобезпеки, пов'язане з адміністративними заходами та впровадженням нових економічних механізмів. Забезпечення безпеки залежить від рівня зниження ризику. Раціональнішим є розподіл витрат, коли обраний ступінь заданого рівня безпеки залежить від витрат при небезпеці, а також від витрат на зменшення ризику. Для забезпечення заданого рівня безпеки необхідно задатися величиною інвестицій, щоб забезпечити безпеку життєдіяльності і потім визначити зону ризику.

За таких умов експертний висновок про час виникнення ЕС є творчим процесом, де ключові ролі залишаються за особою, яка приймає рішення (ОПР). У ОПР на рівні підсвідомості формується особиста система переваг щодо критеріїв в оцінюванні ступеня ризику, обмежень параметрів ЕС для конкретної категорії хворих або здорових людей. Така складна система управління будується у формі інтелектуальної інтегрованої системи підтримки прийняття рішень (ІІСППР), яка складається з двох рівнів: рівня, де реалізуються традіційні методи управління, та вищого ієрархічного рівня, де вона утворює динамічну експертну систему (ДЕС). ІІСППР має ряд підсистем, ієрархія яких при управлінні організована так, що найнижчий рівень має найбільш швидкий контур ІАС, а верхній - найповільніший, де відображається база знань, яка грунтується на досягненнях відповідної галузі (екології, медицини, геофізики, метеорології тощо).

Визначено, що при управлінні в ЕС приймають окрему стратегію виведення на знання (ВНЗ), яка враховує переваги прямого і зворотнього висновків. Використовуючи такий алгоритм, цю процедуру реалізовано до прогнозування моменту досягнення мети, тобто до прийняття рішення, а саме - прогнозуванню періоду ЕС, та оцінено ризик на прикладі психічних хворих різних груп захворювань. Запропоновано у формалізованому вигляді правила прийняття рішень щодо розвитку ЕС під час виникнення збуджень на Сонці та під час моніторування КГФ аномалій МП.

Загальні Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою. В ній наведено вирішення задач стосовно формування екологічних небезпек в екстремальних умовах дії космофізичних, метеорологічних і природно-техногенних факторів і розвитку на цій основі теоретичних засад і розробки практичних заходів щодо обгрунтування інформаційно-аналітичної системи моніторингу, прогнозу та попередження про аномальні стани при забезпеченні екологічної безпеки регіону.

1. Досліджено закономірності формування еконебезпеки при аномаліях магнітного поля Землі. Експериментально встановлено флікерний закон спектра варіацій магнітного поля Землі, на фоні якого більш небезпечними (летальними для біосистем) виявляються аномалії в період мінімуму сонячної активності.

2. Дістали подальшого розвитку наукові засади побудови концепції регіональної системи управління природною складовою екологічної безпеки, яка відрізняється тим, що в основу моніторингу та прогнозування покладені відомості про умови формування аномалій космогеліогеофізичних та атмоантропогенних небезпек, які зумовлюють екстремальні ситуації в навколишньому середовищі. Прогноз кризових ситуацій враховує аномалії метеофакторів (тиску, інверсних ситуацій, виникнення токсичного озону), гравітаційної динаміки тощо. Інтегративні оцінки прогнозу пропонується здійснювати сенсорами оптико-телевізійного біотестування та інтенсивності підрахунку фотоімпульсів еталонів радіоактивності.

3. Надійність та ефективність функціонування системи моніторінгу забезпечується завдяки таким удосконаленням методів та засобів:

- підвищення достовірності прогнозування часу виникнення найбільш кризових станів від магнітних збуджень, що визначається за оптичними даними, моніторингу сонячних радіовипромінювань, інтегративних біотестувань та даних радіоактивних сенсорів;

- впровадження комплексних спостережень стану озонового шару в нічних умовах лідарним зондуванням висотного розподілу його концентрації, а в денних умовах - засобами вимірювання УФ випромінювання та за всепогодних умов - засобами КВЧ-спектроскопії;

- створення моделі зміни концентрації nО3 при зондуванні озону на одній хвилі (=308 нм) з використанням даних стандартної атмосфери ;

- запропоновано схеми сенсорів приземного озону антропогенного походження, робота яких скомплексована з роботою уфіметра та засобами контролю інверсних станів, що підвищують ефективність існуючої мережі спостережень за забрудненням довкілля.

4. Апробація удосконалених методів і засобів, впроваджених у лабораторних і натурних лідарних та пасивних оптико-електронних системах експлуатації, підтвердила правильність та ефективність наукових і технічних рішень, їх працездатність в умовах моніторингу.

5. Розроблено та реалізовано системний та науково-обгрунтований підходи до аналізу формування екологічної небезпеки за екстремальних умов природно-техногенного навантаження, їх прогнозування і попередження за допомогою інформаційно-аналітичної системи, що складає окремий сегмент регіональної системи надзвичайних ситуацій.

6. Практична цінність роботи полягає у тому, що:

- створено ексімерний лазер підвищеної потужності та озонолідар, що дозволяє національними засобами організувати підсупутникове визначення стану озонового шару у відповідності до міжнародних зобов'язань України по виявленню впливу озоноруйнівних речовин;

- створено та випробувано двоканальний скануємий уфіметр для комплексного аналізу озону та сонячного УФ-випромінення

7. Оцінки ефективності впровадження отриманих результатів вказують на їх соціальну значущість внаслідок запобігання реальним і можливим ускладненням захворювань та летальним наслідкам, зменшення кількості викликів швидкої допомоги, зменшення аварій під час експлуатації транспортних засобів і на підприємствах із критичними технологіями в період кризових екологічних ситуацій.

8. Результати теоретичних і практичних досліджень, розроблені методики, моделі та засоби використовуються у навчальному процесі при викладанні курсів кафедри радіоелектронних пристроїв: “Апаратура контролю забруднень” та “Синергетика".

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Лагутин М.Ф., Лагутин В.М. Состав, строение и процессы в атмосфере Земли.// “Методы и средства дистанционного зондирования явлений в атмосфере Земли”.- Харьков: ПФ “Коллегиум”, 2003.- С. 5-45.

2. Синергетический подход к анализу кооперативного влияния низкоинтенсивного КВЧ-воздействия и тепловых шумов на одноклеточные организмы/ Лагутин М.Ф., Огиенко А.А., Лагутин В.М., Огиенко В.А Радиотехника.- Харьков: ХНУРЭ.- 2001. Вып.121.- С. 172-176.

3. Лагутин В.М. Концепция построения региональной системы экологической безопасности жизнедеятельности на основе персонального предупреждения о внешне и внутрисредовых аномальных ситуациях // Радиоэлектроника и информатика.- 2004.- №1.- С. 138-141.

4. Лагутін В.М. Методи та засоби управління екологічною безпекою в умовах виникнення екстремальних ситуацій у навколишньому середовищі // Радиоэлектроника и информатика.- 2004.- №2.- С.163-168.

5. Шурыгин И.Г., Белокриницкий Н.С., Лагутин В.М., Соболев В.Н. УФ-лидар для озонозондирования // Оптика атмосферы. РАН. -1990.- Том. 3.- №10.- С. 1056-1059.

6. Лагутин М.Ф., Лагутин В.М. Информационные технологии в корректировке функций систем и состояния организма по пейджерному каналу // Материалы Международной конференции “Радиоэлектроника в медицинской диагностике (оценка функций и состояний организма)” 17-19 октября 1995 г. г. Москва.- М.:- 1995.- С. 83-84.

7. Лагутин В.М. Региональный медико-экологический мониторинг // Тез. докл. на 3-й Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Туапсе. 1997 г.- С. 20-21.

8. Лагутин М.Ф., Лагутин В.М. Наука и образование в условиях кризисно меняющегося мира в ХХІ веке // Труды Международной конференции “Виртуальность ХХІ”.- Ялта.- 2001.- С. 43-52.

9. Лагутин В.М., Дзюндзюк Б.В. Особенности региональной автоматизированной системы экологической безопасности жизнедеятельности и предупреждения об аномальных ситуациях // Сб. научн. тр. 1-го Международного радиоэлектронного Форума “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ-2002. Часть 2.- Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ. 2002.- С. 569-572.

10. Лагутин В.М. Особенности системы мониторинга и принципы подготовки данных о медико-экологических кризисных ситуациях // Сб. научн. тр. 6-й форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХ1 веке” - Харьков.: ХНУРЭ.- 2002. - Часть 1. - С. 158-159.

Анотація

Лагутін В.М. Екологічна безпека регіону: методи та засоби її забезпечення в умовах виникнення екстремальних ситуацій у навколишньому середовищі. - Рукопис.

Розроблено наукові основи побудови концепції регіональної системи управління екологічною безпекою, яка відрізняється тим, що під час моніторингу та прогнозування використовуються відомості про умови формування аномалій космогеліогеофізичних та атмоантропогенних небезпек, які обумовлюють екстремальні ситуації в навколишньому середовищі. Аналізуються аномалії метеофакторів (тиску, інверсних ситуацій, виникнення токсичного озону), гравітаційної динаміки. Інтегративні оцінки прогнозу пропонується здійснювати сенсорами оптико-телевізійного біотестування та інтенсивності підрахунку фотоімпульсів еталонів радіоактивності. Розглянуто закономірності формування еконебезпеки при аномаліях магнітного поля Землі. Експериментально встановлено флікерний закон спектру варіацій магнітного поля Землі, на фоні якого більш небезпечними (летальними для біосистем), виявляються аномалії в період мінімуму сонячної активності. Впроваджено комплексний підхід у вивченні варіацій стратосферного озону та небезпечних аномалій ультрафіолетового випромінювання Сонця. На основі оригінальної розробки ексімерного лазера вдосконалено метод і лідар диференційного поглинання в системі підсупутникового забезпечення котролю озону, що дозволило дослідити висотний розподіл його концентрації, що важливо для виконання міжнародних зобов'язань України в частині визначення впливу озоноруйнівних викидів.

Ключові слова: моніторинг, прогноз, регіон, екологія, небезпека, навколишнє середовище, фактор, безпека.

Аннотация

Лагутин В.М. Экологическая безопасность региона: методы и средства ее обеспечения в условиях возникновения экстремальных ситуаций в окружающей среде. - Рукопись.

Разработана концепция построения информационно-аналитической системы, которая охватывает проблематику экологических опасностей в условиях экстремальных ситуаций в природной среде для прогноза и управления экологической безопасностью. Усовершенствованы научные основы построения концепции региональной системы управления экологической безопасностью, отличающейся тем, что в мониторинге и прогнозе используются сведения об условиях формирования аномалий космогелиогеофизических и атмоантропогенных опасностей, образующих экстремальные ситуации в среде обитания. При управлении экобезопасностью в ЭС главным является оперативное реагирование на неблагоприятные состояния, которые реализуются в реальном масштабе времени на основе моделирования ЭС по данным мониторинга. Ключевая роль в принятии решения возложена на экспертов. Интеллектуальная интегральная динамическая экспертная система состоит из двух уровней: нижнего - самого быстрого и верхнего - медленного, где отображается база знаний, основанных на достижениях медицины, экологии, геофизики и других наук. Анализируются аномалии метеофакторов (давления, инверсных ситуаций и концентрация токсичного озона), гравитационной динамики и др. Интегративные оценки прогноза предлагается осуществлять сенсорами оптикотелевизионного биотестирования и интенсивности счета фотоимпульсов эталонов радиоактивности. Рассмотрены закономерности формирования экологической опасности при аномалиях магнитного поля Земли. Экспериментально установлен фликкерный закон спектра вариаций магнитного поля, на фоне которого более опасными (летальными для биосистем) оказываются аномалии в период минимума солнечной активности. Сформированные модели и алгоритмы предупреждения об опасных состояниях возникновения психических заболеваний при геомагнитных возбуждениях на основе анализа данных в периоды полного цикла солнечной активности. Внедрен комплексный подход в изучении вариаций стратосферного озона и опасных аномалий ультрафиолетового излучения Солнца.

Теоретически исследованы особенности метода дифференциального поглощения при дистанционном лазерном зондировании высотного распределения озона.

Оптические свойства озона такие, в частности, как коэффициент поглощения в диапазоне 300-340 нм, могут быть использованы для лидарного зондирования воздуха до уровня высот 50-60 км, где концентрация озона уже незначительна, а сигнал рэллеевского рассеяния еще достаточный для определения концентрации озона с погрешностью 10-15%. Для реализации метода дифференциального поглощения одновременно проводилось зондирование атмосферы на более длинных волнах, например, 589 нм, когда поглощение на высотах от 0 до 60 км незначительно и может быть теоретически оценено при использовании сведений из стандартной атмосферы.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования по созданию эксимерного XeCl-лазера, который использовался при дистанционном зондировании стратосферного озона.

Получены впервые в СНГ данные по высотному распределению озона и высотное изменение его концентрации в столбе на средних широтах. Полученные данные совпадают с данными измерений зарубежных авторов на тех же широтах.

В Харьковском регионе создан и апробирован аналогичный лидарный комплекс для оценки опасных состояний в озоносфере над территорией Украины, что важно для выполнения международных обязательств по контролю озоноразрушающих выбросов, а также для подспутникового обеспечения контроля аномалий.

Создан и апробирован двухканальный уфиметр, сканирующий за Солнцем. Опасные уровни появления аномалий УФБ-излученияСолнца гарантированы с вероятностью ложной тревоги 10%. Предложены структурные схемы КВЧ всепогодного озонометра.

Ключевые слова: мониторинг, прогноз, регион, экология, опасность, окружающая среда, фактор, безопасность.

Abstract

Lagutin V.M. The ecological security of region: methods and meens her guarantee in condition of extremal situation in environmental habitat.- Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical sciences on the speciality 21.06.01 - ecological security. Ukrainian Research Institute of Ecological Problems, Kharkiv, 2004.

The scientific basis of conception of regional system in environment security management are developed. These conception differ greatly as a result of the fact concerning conditions of formation of anomalies in cosmogeliogeophysical and atmoantropogenic dangers arising in extreme situations in natural habitat. Anomalies in meteorogical factors (pressure, invers situation and toxic ozone), gravitation dynamics and etc. are analyzed. Integrative estimate of forecasting is suggested in order to exercise optictelevision biotesting and intensity calculations of photoimpulses of radioactivity etalon with the help of sensors. Regular formations of ecological danger in Earth's anomalies of magnetic field are considered. Fliccer law in spectrum of magnetic field variations is experimentally established. Anomalies in the period of the minimum sun activity are of great danger. Complex approach in study of variations of stratospheric ozone and dangerous anomalies of UV sun eruption is developed. It is on the basis of original elaboration of eximer lazer that the method and LIDAR differential absorption in the system of subsputnik provision of ozone control were perfected. It permitted to research high ozone distribution that it is of great importance to fulfil the international obligations of Ukraine concerning of influence of ozone deplation expultion

Key words: monitoring, danger, ecology, factor, region, environmental habitat, nondanger.

Размещено на Allbest.ru

...