Фактори та параметри навколишнього середовища

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 здійснюватися безпосередньо 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.

 

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.

 

1. Тиск та методи вимірювання  його параметрів

 

1.1 Визначення та одиниці вимірювання

Тиск (р) - фізична величина, що характеризує інтенсивність нормальних (перпендикулярних до поверхні) сил, з якими одне тіло діє на поверхню іншого.

Середня величина тиску на будь-яку площину дорівнює відношенню середнього значення сили, що діє перпендикулярно цій площині, до її площі:

          p = dF/dS         (2.1)

Якщо сили розподілені вздовж поверхні рівномірно, то тиск р на будь-яку частину поверхні дорівнює:

            p = F/S        (2.2)

де F - сума прикладених перпендикулярно до поверхні сил;

S - площа цієї частини.

 

Одиниця вимірювання тиску в системі СІ - паскаль (Па); Па = 1Н • м -2.

Середній атмосферний тиск на рівні моря становить 1,01325 • 105 Па. У цілому атмосферний тиск залежить від висоти, простору й часу. Горизонтальний розподіл атмосферного тиску визначається рухом поверхневих мас повітря.

 

1.2. Прилади для вимірювання тиску

 

Прилад для вимірювання тиску називають манометром. Манометри бувають сифонного (рис. 2.1) або чашечкового (рис. 2.2) типу. Манометр сифонного типу - це «U»- подібна скляна трубка, заповнена водою або ртуттю. Один з кінців манометра запаяний і позбавлений повітря; відкритий кінець сполучений з атмосферним повітрям. Різниця рівнів рідини у двох колінах трубки проградуйована в одиницях тиску. Манометр чашечкового типу містить вертикальну скляну трубку, запаяну зверху і заповнену рідиною. Нижній кінець трубки занурений у резервуар, що частково заповнений рідиною. Тиск, що утворюється стовпчиком рідини у трубці, врівноважується атмосферним тиском.

Висока точність вимірювання манометра чашечкового типу (0,1 мм рт. ст.) дає змогу використовувати його як стандартний прилад для перевірки анероїдних барометрів та висотомірів.

 

       Ртутний манометр  є класичним прикладом манометра  чашечкового типу. Зовнішній вигляд  ртутного манометра зображено  на рис. 2.3. Барометр містить скляну  трубку, заповнену ртуттю і занурену  у резервуар зі ртуттю. Рівень ртуті у резервуарі контролюється за допомогою конусоподібної кістки. Точність вимірювання тиску ртутного барометра становить 0,1 гПа.

 

Прилади для вимірювання атмосферного тиску називаються барометрами.

Барометр-анероїд містить анероїдну капсулу, що складається з двох тонких (0,2 мм товщиною) металевих гофрованих мембран (рис. 2.4). З капсули повітря відкачано (тиск 10-2 гПа) або капсулу заповнюють інертним газом при тиску 65 гПа. Кількість капсул у сучасних приладах може досягати 14. Мембрани знаходяться у напруженому стані завдяки гофрованій поверхні та дії пружини.

Перевагою барометра-анероїда є його компактність, механічна міцність, можливість транспортування. Ці прилади можуть застосуватися в системах автоматичного вимірювання тиску, оскільки механічні переміщення анероїдних капсул легко перетворити на електричний сигнал.

 

Недоліком барометра-анероїда є менша, порівняно з ртутним барометром, точність вимірювань.

Барограф - прилад, що використовується для безперервної реєстрації тиску повітря. Він складається із стовпчика анероїдних коробок, з’єднаного зі стрілкою самописця.

 

2. Температура та методи вимірювання  її параметрів

 

2.1. Основні визначення

Температура - фізична величина, що характеризує стан термодинамічної рівноваги макроскопічної системи.

Кількісне вимірювання температури можливе завдяки впровадженню температурних шкал. Одна з них, міжнародна стоградусна температурна шкала (Цельсія) використовує як 0оС температуру плавлення льоду і як 100оС температуру кипіння води при нормальному тиску. Інша - термодинамічна температурна шкала (Кельвіна) - використовує потрійні точки речовин - точки на діаграмі стану, що відповідають рівноважному існуванню трьох фаз речовини. Так, потрійна точка води дорівнює 273,15К, а температура кипіння води 373,15К. Між двома шкалами існує зв’язок:

          tоС = Т - 273,15.        (2.3)

 

На сьогоднішній день прийнято міжнародну температурну шкалу (МТШ), яка ґрунтується на використанні певної кількості станів рівноваги, що відтворюються, або фіксованих точок

 

2.2. Прилади для вимірювання температури

Розглянемо прилади для вимірювання температури, в основі яких лежить теплове розширення газів (газовий термометр), рідин (рідинний термометр) або твердих тіл (біметалевий термометр).

Газовий термометр, дія якого ґрунтується на залежності тиску (при сталому об'ємі) від температури згідно з законом ідеального газу. Залежність тиску від температури – лінійна.

Газовий термометр (рис. 2.5) використовується як первинний термометричний прилад для визначення фіксованих точок МТШ. Інтервал температур, що вимірюється газовим термометром, становить 2...300 К.