Реферат: Байков Вениамин, Ващенко Татьяна, Лаковникова Александра Возможности использования цифровой лаборатории «Архимед» в экологическом мониторинге окружающей среды

Байков Вениамин, Ващенко Татьяна, Лаковникова Александра


Возможности использования цифровой лаборатории «Архимед» в экологическом мониторинге окружающей среды


Школа 550 с углубленным изучением иностранных языков и информационных технологий Центрального района г. Санкт-Петребурга

10 класс


Руководитель работы:

Филиппова Илзе Яновна,

учитель физики, канд. физ.-мат. наук


Экологическая ситуация города Санкт-Петербурга волнует всех жителей города. Важным моментом для решения возникающих экологических проблем является возможность организации службы мониторинга и нахождение способов контроля факторов загрязнения.


В работе проводится оценка возможности использования приборов школьной цифровой лаборатории «Архимед» для мониторинга загрязнения снега, лежащего в городской черте. Были использованы следующие датчики:

1) датчик цвета (колориметр), позволяющий определить пропускание раствора в трех спектральных областях. Для выделения спектральной области в колориметре используются светофильтры (красный, синий и зеленый). В прибор встроен цифровой датчик освещенности, который регистрирует пропускание образца (в %).

2) датчик температуры, позволяющий измерять температуру в диапазоне от -10 до 110 0С.

3) датчик pH.



Слева колориметр, перед ним три светофильтра. Кювета с раствором на фотографии расположена на кюветном отделении колориметра, который во время работы герметично закрывается во избежание паразитной засветки.

В сосуд с талой водой опущен датчик температуры и электрод датчика pH. Датчик температуры и датчик pH подключены к интерфейсному устройству Trilink (в левом нижнем углу фотографии), накапливающему данные и передающему полученные от датчиков данные на компьютер.

Trilink с помощью специального USB кабеля присоединен к персональному компьютеру.



^ Организация сбора материала для исследования


Для проведения исследования была организована исследовательская группа из учеников 10 класса. Районы города, в которых следовало в течение января собрать образцы снега для анализа, были разделены между участниками группы. Планировалось в каждой точке мониторинга собрать свежевыпавший снег и снег через три дня после выпадения. В каждом районе планировалось собрать несколько образцов: в зоне, где можно было ожидать загрязнение, создаваемое транспортом, в внутри-дворовой территории и в зоне зеленых насаждений. Неожиданно бесснежная и теплая зима не дала провести в полном объеме сбор материалов для исследования. Не удалось организовать сбор образцов во время каникул, т.к. в это время снега все еще не было. Образцы собирались в тех местах и тогда, когда участники исследования или их добровольные помощники смогла найти снег. К сожалению, собранная коллекция снега не носит систематического характера и ни в коем случае не способна отразить полностью картину загрязнения снега в городе. Всего было собрано 16 образцов снега, приведенных в таблице 1. В этой же таблице дана общая характеристика загрязнения собранных образцов.





Группа исследователей за работой



Таблица 1.





Место сбора снега

Время сбора снега

Характеристика осадка в сосуде с талой водой

1

Пешеходная зона




Мало, мелкодисперсный черный осадок

2

Балкон (4-й этаж), Центральный р-н

Свежевыпавший снег

Мало, мелкодисперсный черный осадок

3

Капот машины, Центральный р-н

Свежевыпавший снег

Мало, мелкодисперсный черный осадок

4

Сад у дороги, (Ломоносовская улица), Центральный р-н

утро

Много осадка, мелкодисперсный осадок

5

Калининский р-н, двор




Много черного осадка разного размера

6

Калининский р-н, рядом с проезжей частью




Много черного осадка разного размера

7

Калининский район, двор

Новогодняя ночь

Чистая вода

8

Гороховая улица (у ТЮЗа)




Чистая вода

9

Площадь Островского




Мало, черный мелкодисперсный осадок

10

Приморский р-н, у дороги

через 3 дня

Много черного осадка разного размера

11

Приморский р-н, у дороги

Свежевыпавший снег

Мало, мелкодисперсный серый осадок

12

Измайловский сад




Мало, мелкодисперсный осадка разного цвета

13

Канал Грибоедова (Аларчин мост)




Много черного мелкодисперсного осадка

14

Гатчина




Много осадка разного размера и цвета

15

Петроградская сторона




Мало, мелкодисперсного черного осадка

16

Приморский р-н, у дороги

ч-з 3 дня после выпадения

Много осадка разного размера и цвета



^ Методика исследования.



Измерения пропускания образцов с помощью колориметра (датчика цветности).


Образцы графиков, зарегистрированные колориметром, приведены на рис. 1 и 2. Видно, что примерно 1 секунду длится режим выхода датчика в стационарный режим. Верхняя линия соответствует регистрации опорного сигнала. Кюветное отделение колориметра при этом пустое. Красная (нижняя) линия соответствует пропусканию кюветы, заполненной талой водой. Перед каждым опытом регистрировался уровень сигнала для пустого кюветного отделения. Лишь после этого регистрировалось пропускание образца. Пропускание образца определялось как отношение установившегося сигнала для талой воды к сигналу датчика при пустом кюветном отделении.






Рис. 1 Образец 1, зеленый светофильтр.

Рис. 2 Образец 1, синий светофильтр.


В таблице 2 приведены результаты спектральных исследований.





Красный светофильтр

Зеленый светофильтр

Синий светофильтр

1

95

89

91

2

100

100

100

3

100

100

100

4

97

93

90.5

5

100

100

100

6

99

97

88

7

100

100

100

8

100

100

100

9

100

100

100

10

100

100

100

11

100

100

100

12

100

100

100

13

99

100

100

14

100

100

100

15

100

100

100

16

100

100

100


Из таблицы видно, что поглощение видимого света уверенно наблюдается только для 3 образцов (1, 4 и 6). Очень важно, что для всех трех образцов поглощение наблюдается во всех трех спектральных областях, что свидетельствует об объективности полученных данных. Все три образца собраны в зонах потенциально большого загрязнения транспортом. Поглощение в видимой области может свидетельствовать о наличии в снеге высокомолекулярных органических веществ, для которых типично поглощение в видимой области.



Измерение температуры плавления


Для измерений был использован датчик температуры лаборатории Архимед.

Полученные результаты приведены в таблице 3.


измерения pH талой воды.


Для измерения pH использовался специальный датчик цифровой лаборатории «Архимед». Полученные данные показывают, что для всех собранных образцов характерно слабокислая реакция. Для большинства образцов данные близки к нейтральному.


Таблица 3.




Температура плавления, 0С

pH

1

2.19

6.5

2

2.6

6.05

3

3.5

6.4

4

2.41

6.7

5

0.483

6.9

6

1.3

6.8

7

1.97

6.01

8

3.27

6.85

9

4.5

6.88

10

1.97

6.85

11

1.89

6.66

12

3.08

6.8

13

1.37

6.86

14

3.3

6.82

15

1.93

6.7

16

2.19

6.895



В графическом виде данные представлены на рисунке 3. Приходится отметить, что измерения не показали корреляции между температурой плавления и значениями pH для раствора снега. С одной стороны, это может быть вызвано тем, что образцы, для которых проводились измерения, выдерживались в морозильной камере холодильника, неоднократно замораживались и оттаивали. Известно, что процессы кристаллизации могут вызывать изменение состава раствора. Кроме того, снег состоит из мелких кристаллов льда. Наши же измерения приходилось проводить для образцов, в которых сформировался монолитный лед, что тоже может приводить к изменению температуры плавления. Помимо этого влиять на величину измеренной температуры плавления мог и тот факт, что некоторых образцов талой воды было собрано очень мало, что приводило к тому, что лишь небольшая часть металлического корпуса датчика температуры была покрыта талой водой. При этом остальная часть стержня датчика находилась в контакте с окружающим воздухом, что из-за процессов теплопроводности могло искажать показания датчика.





Рис.3 Результаты измерения pH и температуры плавления.


Выводы


Полученные данные показывают, что даже небольшой арсенал школьной лаборатории может быть с пользой применен в мониторинге состояния окружающей среды. Особенный интерес представляют данные, полученные с помощью датчика цветности (колориметра). Для образцов, полученных в местах, подверженных сильным загрязнениям, наблюдается поглощение света во всех диапазонах спектра видимой области. В совокупности полученные данные указывают на перспективность использования лаборатории «Архимед» в экологическом мониторинге окружающей среды.


Авторы работы выражают благодарность за полезные консультации учителю биологии Егоровой Вере Михайловне.