Тема 1. Об’єкти вимірювання
1.1. Основні компоненти біосфери
Біосфера - оболонка Землі, що включає нижню частину атмосфери, гідросферу й верхні шари літосфери, склад, структура й енергетика яких значною мірою зумовлені попередньою та сучасною життєдіяльністю живих організмів.
Біосферу ділять на три середовища:
- атмосферу - шар повітря, що складає периферійну оболонку планети і оточує два інших середовища;
- гідросферу - водну оболонку Землі (Світовий океан, моря, ріки, озера та підземні води);
- літосферу - середовище, обмежене верхніми шарами земної поверхні, тобто тверду поверхню материків.
Атмосфера є одним з найважливіших для життя компонентів біосфери. Вона пропускає та змінює сонячну енергію, безпосередньо впливає на наш клімат, діє як захисний екран від метеоритних атак і шкідливого ультрафіолетового випромінювання, забезпечує польоти птахів і комах, поширення насіння та спор. Атмосфера - суміш газів, суспендованих твердих та рідких частинок. Спрощено атмосферу можна уявити як сухе повітря разом з водяною парою. Вона складається з кількох шарів, а саме: тропосфери, стратосфери, мезосфери та термосфери.
Атмосфера регулює клімат на планеті, запобігаючи перегріванню та охолодженню й підтримуючи середню температуру поверхні близько 14°С. Важливою складовою атмосфери є водяна пара, її концентрація коливається від 2 ∙ 10-5% в полярних широтах до 3% на екваторі. Загальна маса атмосфери становить 5,15∙1018 кг.
Гідросфера характеризується певним складом та розподілом водяних мас. Вода - одна з найпоширеніших речовин у природі, що входить до складу живих організмів, зумовлюючи протікання у них різноманітних реакцій. Вона бере участь у кругообігу в природі, забезпечуючи життєдіяльність людини, тварин, рослин, мікроорганізмів.
Літосфера має товщину 50...200 км. Її верхня частина, що містить живу речовину, входить до складу біосфери. Важливим компонентом літосфери єґрунт – верхній тонкий шар земної кори, що утворюється і розвивається в результаті взаємодії клімату, рослинності, тварин, мікроорганізмів, гірських порід. Важливою властивістю ґрунту є його родючість. Більшість живих організмів та їх відходи сприяють процесам, що відбуваються в ґрунті. Так, активність мікроорганізмів перетворює відходи в основні компоненти ґрунту. Без цієї активності неможливий кругообіг вуглецю або азоту, важливих для життя на землі. Товщина, фізичні та хімічні властивості ґрунту різні в кожній місцевості.
Загалом ґрунт характеризують п’ять основних компонентів:
- неорганічні мінеральні частини;
- органічні залишки;
- вода;
- гази;
- біологічні системи.
Крім того, біосфера характеризується фауною та флорою. В біосфері мешкає близько 10 000 видів рослин, 3000 видів ссавців, 25 000 видів птиць, ще більше видів риб, близько мільйона видів комах. У спрощеному вигляді живі організми можна поділити на мікроорганізми, рослини й тварини. Суспільство живих організмів утворює біоценоз, а їх специфічне фізико-хімічне оточення називається біотопом. Сукупність біотопу і біоценозу складає екосистему.
1.2. Фактори та параметри навколишнього середовища
Навколишнє природне середовище - це сукупність природних і змінених діяльністю людини абіотичних та біотичних факторів, що безпосередньо або опосередковано впливають на людину.
Термін «навколишнє середовище» походить від французьких environ абоenvironne, що означають навколо, кругом, оточувати. Таким чином, термін «навколишнє середовище» передає сукупність всіх зовнішніх факторів, що впливають на живий організм.
Фактор - причина або рушійна сила будь-якого процесу, що відбувається у навколишньому середовищі.
Абіотичні фактори - компоненти та явища неживої, неорганічної природи, що впливають на живі організми. Їх можна поділити на:
- фізичні (кліматичні): тиск, рух повітря, вітер, вологість, атмосферні опади, температура, сонячне випромінювання, іонізаційні випромінювання;
- атмосферні: структура та склад атмосфери, її фізичні й хімічні властивості, здатні впливати на живі організми;
- гідрографічні (фактори водного середовища): фізичні та хімічні властивості води, як середовища мешкання живих організмів;
- едафічні (ґрунтові): структура та склад ґрунтів, сукупність їхніх фізичних і хімічних властивостей, що справляють екологічний вплив на живі організми.
Біотичні фактори - сукупність впливів життєдіяльності одних організмів на життєдіяльність інших, а також на неживе середовище.
Параметр - величина, що характеризує будь-яку властивість процесу або явища, що відбуваються у довкіллі.
Забруднення - несприятлива зміна навколишнього середовища як цілковитий або частковий результат людської діяльності, що безпосередньо або опосередковано впливає на розподіл енергії та рівні радіації, фізико-хімічні властивості навколишнього середовища та умови існування живих істот.
Ці зміни можуть впливати на людину безпосередньо або через сільськогосподарські ресурси, воду чи інші біологічні продукти та речовини. Різки зміни забруднення, коливання абіотичних та біотичних факторів можуть викликати неспецифічну реакцію живого організму - стреси.
На стан довкілля істотно впливають природні та техногенні порушення екологічної рівноваги, збільшення чисельності населення, процеси урбанізації та індустріалізації, розвиток енергетики, експлуатація військової та космічної техніки.
Система спостережень, оцінки та контролю за станом природного середовища, що оточує людину, з метою розробки заходів щодо його охорони, раціонального використання природних ресурсів і запобігання критичним ситуаціям, шкідливим або небезпечним для здоров’я людей, існування живих організмів та їхніх суспільств, природних об’єктів і комплексів, а також прогнозування масштабів неминучих змін називається моніторингом.
2. Методи вимірювання
2.1. Процес вимірювання. Загальні характеристики вимірювальногообладнання
Вимірювання параметра навколишнього середовища - це послідовність експериментальних та обчислювальних операцій, що здійснюють з метою знаходження значення параметра, що характеризує певний об’єкт або явище.
Вимірювання передбачає кількісну оцінку параметра в стандартних одиницях, тобто порівняння параметра з рекомендованим стандартом для визначення їхньої рівності або ступеня різниці.
Вимірювання включає:
- об’єкт (явище), властивості або стан якого характеризує величина, що вимірюється;
- одиницю цієї величини;
- технічні засоби, проградуйовані в обраних одиницях;
- метод вимірювання;
- спостерігача (системи реєстрації), що сприймає результат вимірювання;
- отримане значення величини, що вимірювалася, та оцінку її відхилення від дійсного значення (похибку вимірювання).
Вимірювання бувають прямими, якщо сигнал, що надходить на вимірювальний прилад від сенсора, містить безпосередньо інформацію про параметр, який вимірюється (наприклад, вимірювання температури, вологості, тиску, швидкості вітру тощо), та посередніми, під час яких значення параметра знаходять за допомогою обчислень на основі відомих формул або залежностей між цим параметром та параметрами, що вимірювалися безпосередньо (наприклад, вимірювання швидкості седиментації частинок, втрат теплоти з поверхні листка тощо).
Вимірювання параметрів навколишнього середовища можуть здійснюватисябезпосередньо біля об’єкта дослідження або дистанційно.
Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, що дає можливість безпосередньо визначати параметри величини, що вимірюється. Залежно від того, яким шляхом вимірювальні прилади дають інформацію, вони діляться на аналогові та цифрові.
Аналогові прилади
Інформація, яку отримує аналоговий вимірювальний прилад, постійно змінюється і відповідно (аналогічно) реєструється. Величина параметра, що змінюється, читається на шкалі приладу.
Аналоговий прилад містить:
- сенсор - функціональний елемент, що забезпечує зв’язок між приладом та параметром, що вимірюється;
- перетворювач сигналу, який трансформує отриманий сенсором сигнал таким чином, щоб його можна було спостерігати, читати, реєструвати;
- аналоговий індикатор, що перетворює сигнал від перетворювача у форму, зручну для реєстрації оператором.
Типовий приклад аналогового вимірювального приладу - термометр. Сенсором тут є головка термометра, перетворювачем сигналу - капілярна трубка зі ртуттю, аналоговим індикатором - градуйована шкала.
Цифрові прилади
У цифрових приладах інформація подається у вигляді дискретних сигналів, хоча величина параметра змінюється безперервно. Ділянка змін величини параметра, що вимірюється, ділиться на певну кількість рівних інтервалів, позначених цифрами. Кожен інтервал відповідає найменшій зміні параметра, яку здатний зареєструвати прилад.
Цифровий прилад містить такі основні елементи:
- сенсор (функції його ті ж самі, що й в аналоговому приладі);
- аналогово-цифровий перетворювач, який перетворює отриманий сигнал у цифрову форму;
- цифровий дисплей, за допомогою якого читається отримана інформація.
2.2. Основні характеристики вимірювального приладу
Точність характеризує різницю між значенням величини, що вимірюється, та дійсним значенням. Точність вимірювального приладу лімітує вимірювання величини параметра. Узагальненою характеристикою засобів вимірювань є класи точності - показники встановлених для них стандартами меж похибок. Наприклад, клас точності 0,1 відповідає похибці 0,1%.
Чутливість приладу може бути визначена як відношення величини зміни сигналу від сенсора до величини зміни параметра, що вимірюється. Прилад з невисокою чутливістю може втратити певну корисну інформацію, тоді як прилад з високою чутливістю може отримати зайву інформацію, що призведе до ускладнення її інтерпретування.
Роздільна здатність - найменша зміна величини параметра, що вимірюється, - наприклад, найменша поділка або цифра шкали приладу.
Лінійність відгуку відповідає рівномірній шкалі приладу; ця характеристика не є обов’язковою, але полегшує процес вимірювання.
Дрейф нуля характеризує нестабільність установки нуля за відсутності сигналу. Він залежить від кліматичних та інших умов.
Час відгуку характеризує швидкість, з якою прилад реагує на зміну вхідного сигналу. Він відповідає проміжку часу між зміною параметра та моментом вимірювання цієї зміни.
Вірогідність - здатність приладу надавати вірну інформацію протягом визначеного періоду часу.
2.3. Основні параметри навколишнього середовища, що підлягаютьвимірюванню
У курсі будуть розглянуті методи вимірювання наступних параметрів:
- тиску;
- параметрів вітру;
- шуму;
- вібрацій;
- вологості;
- температури;
- електричних та магнітних полів;
- сонячного та іонізаційного випромінювань.
А також методи контролю стану й забруднення атмосфери, літосфери та гідросфери, зокрема методи дистанційного зондування компонентів біосфери, і біологічні методи (біоіндикація та біотестування) контролю навколишнього середовища.
Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»