環境モニタリング

土壌汚染モニタリングは、研究者が汚染物質の沈着、移動、影響のパターンと傾向を特定するのに役立ちます。観光、工業活動、都市のスプロール現象、建設工事、不適切な農業/林業慣行などの人為的な圧力は、土壌汚染に寄与し、それを悪化させ、土壌が本来の用途に適さなくなる原因となります。無機および有機汚染物質の両方が土壌に到達し、さまざまな有害な影響を及ぼします。したがって、土壌汚染モニタリングは、リスク領域を特定し、ベースラインを設定し、修復のための汚染ゾーンを特定するために重要です。モニタリングの取り組みは、地元の農場から、2000年代後半に中国が行ったような全国的な取り組みまで、さまざまな範囲に及び、汚染物質の性質、その量、影響、濃度パターン、修復の実現可能性などの詳細を提供します。^{[ 20 ]モニタリングおよび分析機器は、理想的には、応答時間が}長く、解像度と自動化のレベルが高く、ある程度の自給自足性を備えている必要があります。^{[ 26 ]}化学的手法はクロマトグラフィーや分光法を用いて有害元素やPOPsを測定するために使用でき、地球物理学的手法は広大な地形の物理的特性を評価するために使用でき、生物学的手法は特定の生物を用いて汚染物質のレベルだけでなく汚染物質の生分解の副産物も測定することができる。これらの手法やその他の手法はますます効率化しており、実験機器の精度も向上しているため、より有意義なモニタリング結果が得られる。^{[ 27 ]}

土壌侵食モニタリングは、研究者が土壌や堆積物の移動のパターンや傾向を特定するのに役立ちます。モニタリングプログラムは、大学の区画での長期的な学術研究から、生物地理気候地域の偵察に基づく調査まで、長年にわたって変化してきました。しかし、ほとんどの方法では、特定の地域におけるすべての主要な侵食プロセスを特定して測定することに重点が置かれています。^{[ 28 ]}さらに、土壌侵食モニタリングは、侵食が作物の生産性に及ぼす影響を定量化しようとする場合がありますが、「変動する気候下での土壌と植物の関係およびそれらの管理には多くの複雑さがあるため」困難です。^{[ 29 ]}

土壌塩分濃度のモニタリングは、研究者が土壌塩分濃度のパターンと傾向を特定するのに役立ちます。海水侵入という自然現象と、不適切な土壌および水管理という人為的な現象の両方が土壌の塩害問題を引き起こす可能性があり、世界中で最大 10 億ヘクタールの土地が影響を受けています (2013 年時点)。^{[ 30 ]}地域レベルでの塩分濃度モニタリングでは、根圏を詳しく調べて塩害の影響を評価し、管理オプションを開発することができますが、地域レベルおよび国レベルでは、塩分濃度モニタリングは、リスクのある地域を特定し、問題が広がる前に政策立案者が対処するのに役立ちます。^{[ 30 ]}モニタリングプロセス自体は、リモートセンシングや地理情報システム(GIS) などの技術を使用して、表面レベルでの緑度、明るさ、白度によって塩分濃度を特定するために実行できます。電磁誘導技術の使用を含む土壌の直接分析も、土壌塩分濃度のモニタリングに使用できます。^{[ 30 ]}

淡水環境品質パラメータも参照

あらゆる生態系に影響を与える可能性のある化学的パラメータの範囲は非常に広く、すべてのモニタリングプログラムにおいて、初期レビューのために、地域の知識と過去の実績に基づいて一連のパラメータを選定する必要がある。このリストは、知識の進展や初期調査の結果に基づいて、拡大または縮小することができる。

淡水環境は長年にわたり広範に研究されており、世界の多くの地域で化学物質と環境との相互作用について確固たる理解が得られています。しかし、新しい物質が開発され、新たな圧力が生じるにつれて、モニタリングプログラムの見直しが必要になります。過去20年間、酸性雨、合成ホルモン類似体、ハロゲン化炭化水素、温室効果ガスなど、多くの要因がモニタリング戦略の変更を必要としてきました。

生態学的モニタリングにおいては、モニタリング戦略と取り組みは、調査対象となる環境内の植物や動物に向けられ、個々の研究ごとに固有のものである。

しかし、より一般的な環境モニタリングでは、多くの動物が、現在または最近経験した環境の質の確かな指標として機能します。^{[ 32 ]}最もよく知られている例の 1 つは、河川系や湖沼におけるブラウントラウトやタイセイヨウサケなどのサケ科魚類の数をモニタリングして、環境への悪影響の緩やかな傾向を検出することです。サケ科魚類の個体数の急激な減少は、後に酸性雨として知られるようになった問題の初期の兆候の 1 つです。

近年では、生態系の健全性を評価し、それをモニタリングツール自体として使用する、より包括的なアプローチに多くの注目が集まっている。^{[ 33 ]}このアプローチは、欧州連合の水枠組み指令のモニタリングプロトコルの基盤となっている。

放射線モニタリングは、電離放射線または放射性物質への被ばくの評価または管理に関連する理由で放射線量または放射性核種汚染を測定し、その結果を解釈することを含みます。 ^{[ 34 ]}線量の「測定」は、直接測定できない線量量の代替物（つまり代用物）として線量当量量を測定することを意味することがよくあります。また、環境媒体中の放射性核種の含有量を測定するための予備段階としてサンプリングが行われる場合もあります。さまざまな放射性核種、環境媒体、および施設の種類に対するモニタリング プログラムおよびシステムの設計と運用の方法論的および技術的な詳細は、IAEA安全ガイド RS-G-1.8 ^{[ 35 ]}および IAEA 安全報告書 No. 64 ^{[ 36 ]に記載されています。}

放射線モニタリングは、米国環境保護庁のRadnetや日本のSPEEDIネットワークなど、固定式および展開式のセンサーネットワークを用いて実施されることが多い。また、原子力緊急支援チームなどの組織は、航空機による調査も行っている。

細菌やウイルスは、最も一般的に監視されている微生物群ですが、これらも、水環境中の水がその後飲料水として使用される場合や、水泳やカヌーなどの水との接触を伴うレクリエーションが行われる場合にのみ、大きな重要性を持ちます。

病原体が主な注目対象ではあるものの、主なモニタリング活動は、ほとんどの場合、大腸菌^{[ 37 ]}などのより一般的な指標種に向けられ、大腸菌群全体の菌数によって補完されます。このモニタリング戦略の根拠は、ほとんどのヒト病原体は下水流を介して他のヒトから発生するという点にあります。多くの下水処理場には殺菌の最終段階がなく、そのため、見た目はきれいでも、1リットルあたり数百万個の細菌を含む排水を排出します。その大部分は比較的無害な大腸菌群です。無害（または害の少ない）下水細菌の数を数えることで、かなりの数の病原性細菌やウイルスが存在する可能性について判断することができます。大腸菌または大腸菌群のレベルが事前に設定されたトリガー値を超えた場合、病原性種に対する特定のモニタリングを含む、より集中的なモニタリングが開始されます。

個体群規模を考慮しない場合、種の数や特定の生物の存在の有無のみに基づいてモニタリング戦略を行うと、誤った結果が生じる可能性がある。モニタリング対象生物の個体群動態を理解することが極めて重要である。

例えば、10km 四方の範囲内に特定の生物が存在するか否かをモニタリング戦略の指標とする場合、その生物が受ける影響が非常に大きいにもかかわらず、1平方キロメートルあたり1万匹から10匹に個体数が減少しても、気づかれない可能性がある。

判断サンプリングでは、サンプリング単位の選択（つまり、サンプルの収集数、場所、および／またはタイミング）は、調査対象の特徴または状態に関する知識と専門家の判断に基づいて行われます。判断サンプリングは、推論が統計科学理論ではなく専門家の判断に基づいている点で、確率ベースのサンプリングとは区別されます。したがって、対象母集団に関する結論は限定的であり、専門家の判断の妥当性と正確性に完全に依存します。パラメータに関する確率的な記述は不可能です。後続の章で説明するように、専門家の判断は、他のサンプリング設計と組み合わせて、正当な決定のための効果的なサンプリングを行うためにも使用できます。^{[ 48 ]}

単純無作為抽出では、特定の抽出単位（例えば、場所や時間）を乱数を用いて選択し、与えられた数の単位の可能な選択はすべて等しい確率で行われます。例えば、ドラム缶の単純無作為抽出は、すべてのドラム缶に番号を付け、そのリストから番号を無作為に選択するか、ランダムな座標のペアを用いて領域を抽出することによって行うことができます。この方法は理解しやすく、サンプルサイズを決定するための式も比較的単純です。単純無作為抽出は、対象となる母集団が比較的均質である場合、つまり、汚染の大きなパターンや「ホットスポット」が予想されない場合に最も有効です。この設計の主な利点は次のとおりです。

1. これは、平均値、割合、および変動性について、統計的に偏りのない推定値を提供する。
2. 理解しやすく、導入も容易です。
3. サンプルサイズ計算とデータ分析は非常に簡単です。

場合によっては、ランダムな地理的位置を正確に特定することが難しいため、単純無作為抽出法の実施は、他のタイプの設計（例えば、グリッドサンプリング）よりも困難になることがあります。さらに、場所によるサンプルの入手困難が原因で余分な労力がかかる場合、単純無作為抽出法は他の計画よりもコストがかかる可能性があります。^{[ 48 ]}

層化サンプリングでは、対象集団は重複しない層、つまり環境媒体や汚染物質に対してより均質であると既知または考えられる亜集団に分けられるため、同じ層のサンプリング単位間の変動は、異なる層のサンプリング単位間の変動よりも小さくなる傾向があります。層は、単位の空間的または時間的な近接性に基づいて、あるいは現場やプロセスに関する既存の情報や専門家の判断に基づいて選択できます。このサンプリング設計の利点は、平均と分散の推定値の精度を高める可能性があり、特に関心のある集団のサブグループについて信頼できる推定値を計算できることです。関心のある測定値が層を作成するために使用される変数と強く相関している場合は、より高い精度が得られます。^{[ 48 ]}

系統サンプリングとグリッドサンプリングでは、空間または時間にわたって一定の間隔でサンプルが採取されます。最初の場所または時間がランダムに選択され、その後、残りのサンプリング場所が、エリア (グリッド) または時間 (系統) にわたってすべての場所が一定の間隔になるように定義されます。例 系統グリッドサンプリング - 正方形グリッド 系統グリッドサンプリング - 三角形グリッド 系統グリッドには、正方形、長方形、三角形、または放射状グリッドがあります。Cressie、1993。ランダム系統サンプリングでは、最初のサンプリング場所 (または時間) がランダムに選択され、残りのサンプリングサイトが規則的なパターンに従って配置されるように指定されます。ランダム系統サンプリングは、ホットスポットを検索したり、平均、パーセンタイル、またはその他のパラメータを推測したりするために使用され、時間の経過に伴う空間パターンや傾向を推定するのにも役立ちます。この設計は、サンプル場所を指定するための実用的で簡単な方法を提供し、サイト、ユニット、またはプロセスの均一なカバレッジを保証します。^{[ 48 ]}

ランクセットサンプリングは、現場調査員の専門的な判断や現場スクリーニング測定法を明示的に組み込むことで、土壌やその他の環境媒体における平均濃度レベルのより正確な推定値を得るための革新的な設計であり、費用対効果に優れています。ランクセットサンプリングは、現場の場所のセットを特定し、各セット内の場所を安価な測定でランク付けし、各セットから1つの場所を選択してサンプリングを行うという2段階のサンプリング設計を採用しています。ランクセットサンプリングでは、単純無作為抽出法を用いてm個の現場の場所のセット（各セットのサイズはr）を特定します。各セット内の場所は、専門家の判断、または安価で迅速な測定、あるいは代替測定を用いて独立してランク付けされます。その後、各セットから1つのサンプリングユニットが（観測されたランクに基づいて）選択され、対象となる汚染物質に対してより正確で信頼性の高い（したがって、より高価な）方法を用いて測定が行われます。単純無作為抽出法と比較して、この設計ではより代表的なサンプルが得られるため、母集団パラメータのより正確な推定値が得られます。ランクセットサンプリングは、現場での場所の特定とランク付けのコストが実験室での測定コストに比べて低い場合に有効です。また、専門家の知識や測定に基づく安価な補助変数を用いて、対象となる変数に関して母集団単位を順位付けできる場合にも適している。この設計を効果的に使用するには、順位付け方法と分析方法が強く相関していることが重要である。^{[ 48 ]}

適応型クラスターサンプリングでは、単純無作為抽出法を用いてサンプルを採取し、測定値が閾値を超える場所で追加のサンプルを採取します。サンプリングと分析を複数回繰り返す必要がある場合があります。適応型クラスターサンプリングでは、後の段階のサンプリングの選択確率を追跡することで、特定の領域を過剰にサンプリングしても母集団平均の偏りのない推定値を計算できます。適応型クラスターサンプリングの応用例としては、汚染プルームの境界を特定することが挙げられます。適応型サンプリングは、母集団におけるまれな特性を推定または探索するのに役立ち、安価で迅速な測定に適しています。ホットスポットの境界を特定すると同時に、収集したすべてのデータを適切な重み付けで使用して母集団平均の偏りのない推定値を得ることができます。^{[ 48 ] [ 49 ]}

グラブサンプルとは、均質な物質（通常は水）を単一の容器で採取するサンプルのことです。清潔なボトルに川の水を満たすのが、非常に一般的な例です。グラブサンプルは、サンプリング地点およびサンプリング時点における、サンプリング対象環境の質を的確に捉えたスナップショットを提供します。追加のモニタリングを行わない限り、その結果を他の時期や、河川、湖、地下水の他の場所に外挿することはできません。^{[ 49 ]： 3}

採取したサンプルや河川を代表的とみなすためには、採取地点が可能な限り代表的であることを確認するために、異なる時間帯や季節に横断調査と縦断調査を繰り返し実施する必要がある。大きな河川の場合、このような調査ではサンプルの深さや、洪水時や干ばつ時にサンプリング地点をどのように最適に管理するかについても考慮する必要がある。^{[ 49 ]： 8-9}

湖では、深度採水器をあらかじめ決められた深度まで降ろし、閉じて必要な深度から一定量の水を採取することで、比較的簡単に採水サンプルを採取できます。最も浅い湖を除いて、湖水の化学組成は深度によって大きく変化します。特に夏季には、多くの湖が暖かく酸素が豊富な上層（表水層）と冷たく酸素の少ない下層（深水層）に成層化します。

外洋の海洋環境では、採取した試料から塩分濃度や陽イオン・陰イオン濃度など、幅広い基準値を把握することができます。しかし、河川や下水の排出地点付近、火山活動の影響を受ける場所、氷の融解による淡水流入域付近など、環境変化が問題となる場所では、採取した試料だけではごく限られた情報しか得られません。

固定または可変の時間間隔で、あるいは外部トリガーに応じてサンプルを採取するようにプログラムできる、さまざまな特殊なサンプリング装置が利用可能です。たとえば、オートサンプラーは、降雨強度が1 mm/時間を超えたときに、8分間隔で河川のサンプル採取を開始するようにプログラムできます 。この場合のトリガーは、携帯電話を使用してサンプラーと通信する遠隔の雨量計、または流星群^{[ 50 ]}技術である可能性があります。サンプラーは、各サンプリング機会に個別のサンプルを採取することも、サンプルをまとめて複合サンプルにすることもできます。そのため、1日の間に、このようなサンプラーは、20分間隔で採取された6つのサブサンプルから構成される12個の複合サンプルを生成する可能性があります。

連続的または準連続的なモニタリングでは、必要に応じて結果をリアルタイムで確認できるように、モニタリング対象環境の近くに自動分析設備を設置します。このようなシステムは、ディー川の調整システムのように重要な水源を保護するために設置されることが多いですが、潜在的な問題の早期警告が不可欠な大規模戦略河川の全体的なモニタリング戦略の一部となる場合もあります。このようなシステムは、ゾンデを使用して、 pH、溶存酸素、導電率、濁度、アンモニアなどのパラメータに関するデータを定期的に提供します。^{[ 51 ]}また、ガスクロマトグラフィー質量分析法（GLC/MS）を使用して、広範囲の潜在的な有機汚染物質を検査すること も可能です。自動化された河岸分析のすべての例では、河川からモニタリングステーションに水をポンプで送る必要があります。ポンプの入口の位置を選択することは、河川の採水サンプルの位置を決定することと同じくらい重要です。ポンプと配管の設計も、水をポンプで送る動作によってアーティファクトが導入されないように慎重に設計する必要があります。ポンプシステムでは溶存酸素濃度を維持することが難しく、GLC/MS設備は配管や腺からの微有機汚染物質を検出することができる。

パッシブサンプラーを使用することで、サンプリング場所のコストとインフラ整備の必要性を大幅に削減できます。パッシブサンプラーは半使い捨てで、比較的低コストで製造できるため、多数設置することが可能で、より広範囲をカバーし、より多くのデータを収集できます。また、小型であるため隠すことができ、破壊行為のリスクを低減できます。パッシブサンプリング装置の例としては、薄膜拡散勾配（DGT）サンプラー、ケムキャッチャー、極性有機化学物質統合サンプラー（POCIS）、半透膜装置（SPMD）、安定化液膜装置（SLMD）、および空気サンプリングポンプなどがあります。

電子計測機器を用いた現場でのデータ収集は一般的ですが、多くのモニタリングプログラムでは、リアルタイムでの遠隔監視とデータへのリモートアクセスも利用されています。そのためには、現場のモニタリング機器を、テレメトリネットワーク、固定電話回線、携帯電話ネットワーク、またはMeteor Burstなどの他のテレメトリシステムを介して基地局に接続する必要があります。遠隔監視の利点は、多数のデータフィードを単一の基地局に集約して保存・分析できることです。また、個々のモニタリングサイトやパラメータに対してトリガーレベルやアラートレベルを設定できるため、トリガーレベルを超えた場合に即座に対応を開始できます。さらに、遠隔監視では、非常に目立たないモニタリング機器の設置も可能です。これらの機器は、湖や川の深い場所に埋めたり、偽装したり、短いホイップアンテナだけを突き出させたりすることができます。このような機器を使用することで、一般の人が容易にアクセスできる場所でのモニタリングにおいて、破壊行為や盗難を減らすことができます。

環境リモートセンシングは、無人航空機（UAV）、航空機、または人工衛星を用いて、マルチチャンネルセンサーを使用して環境を監視する手法である。

リモートセンシングには2種類あります。受動センサーは、観測対象物または周辺領域から放出または反射される自然放射線を検出します。反射太陽光は、受動センサーで測定される最も一般的な放射線源であり、環境リモートセンシングで使用されるセンサーは、遠赤外線から可視光、遠紫外線までの特定の波長に調整されています。収集できるデータ量は非常に大きく、専用の計算処理能力が必要です。リモートセンシングによるデータ分析の出力は、監視対象環境の放射線特性のわずかな違いを区別する擬似カラー画像です。熟練したオペレーターが特定のチャンネルを選択すれば、人間の目には知覚できない違いを増幅することが可能です。特に、植物中のクロロフィルaとクロロフィルbの濃度の微妙な変化を識別し、栄養状態がわずかに異なる環境領域を示すことができます。

アクティブリモートセンシングは、エネルギーを放射し、受動センサーを用いて対象物から反射または後方散乱された放射線を検出・測定します。LIDARは、特に対象地域が広く、手動測量が費用的にも困難または不可能な場合に、地域の地形に関する情報を取得するためによく使用されます。

リモートセンシングを用いることで、危険な地域や立ち入り困難な地域に関するデータを収集することが可能になります。リモートセンシングの応用例としては、アマゾン盆地などの森林破壊の監視、気候変動が氷河や北極・南極地域に及ぼす影響の調査、沿岸域や海洋の水深測量などが挙げられます。

軌道プラットフォームは、電磁スペクトルのさまざまな部分からデータを収集して送信し、大規模な空中または地上ベースのセンシングと分析と組み合わせることで、エルニーニョ現象やその他の自然の長期および短期現象などの傾向を監視するための情報を提供します。その他の用途には、天然資源管理、土地利用計画、保全などの地球科学のさまざまな分野が含まれます。 ^{[ 52 ]}

生物をモニタリングツールとして使用することには多くの利点があります。調査対象の環境に生息する生物は、その環境の物理的、生物学的、化学的影響に常にさらされています。化学物質を蓄積する傾向のある生物は、環境中の非常に低い濃度からかなりの量の物質を蓄積できることがよくあります。コケは重金属を選択的に吸着する傾向があるため、多くの研究者によって重金属濃度のモニタリングに使用されてきました。^{[ 53 ] [ 54 ]}

同様に、ウナギはハロゲン化有機化合物の研究に用いられてきた。これらの化合物はウナギの脂肪沈着物に吸着されるからである。^{[ 55 ]}

生態学的サンプリングでは、代表性を確保し、できるだけ非侵襲的となるよう、綿密な計画が必要です。草原やその他の低木生息地では、1メートル四方の枠である方形区がよく使用され、各方形区内に生育する生物の数と種類が数えられます^{[ 56 ]。}

堆積物や土壌からは、採取された物質が代表的なものであることを保証するために、特殊なサンプリングツールが必要です。このようなサンプラーは、特定の量の物質を採取するように設計されていることが多く、エクマングラブサンプラーのように、堆積物や土壌の生物相も採取するように設計されている場合もあります^{[ 57 ]}。