Учебно-методическое пособие по дисциплине «Физико-химические процессы в техносфере» для студентов, обучающихся по специальности 330100 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере»



страница1/8
Дата23.06.2019
Размер2.16 Mb.
ТипУчебно-методическое пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8

ПРИДНЕСТРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Т.Г.ШЕВЧЕНКО

Кафедра безопасности жизнедеятельности

и основ медицинских знаний



Физико-химические процессы в техносфере.

Учебно-методическое пособие по дисциплине «Физико-химические процессы в техносфере» для студентов, обучающихся по специальности 330100 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере».

Часть 1

Тирасполь, 2012г.

УДК

ББК

П

Физико-химические процессы в техносфере: Учебно-методическое пособие / Авт.-сост.: Д. М. Капитанчук – Тирасполь, 2012.

Данное учебно-методическое пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "Безопасность жизнедеятельности" (специальность «Безопасность жизнедеятельности в техносфере»). Может быть использовано специалистами, работающими в области защиты окружающей среды, экологического мониторинга и экологической экспертизы. В данном учебно-методическом пособии изложены основные сведения о физико-химических процессах в техносфере. Даны представления о процессах трансформации техногенных и антропогенных загрязнений в атмосфере и гидросфере. Рассмотрены физико-химические механизмы разрушения озонового слоя, формирования фотохимического смога, образования кислотных дождей, загрязнения техносферы тяжелыми металлами. Изложены основные сведения о радиационно-химических процессах в техносфере и взаимодействии ионизирующего излучения с ее компонентами.

Составитель:

Д. М. Капитанчук, преподаватель каф. «БЖД и ОМЗ».

Рецензенты:

В. В. Ени, кандидат педагогических наук, доцент, зав. каф. «БЖД и ОМЗ».

Л. А. Тихоненкова, старший преподаватель кафедры химии ПГУ им. Т.Г. Шевченко.

Рекомендовано к публикации Научно-методическим советом ПГУ им. Т.Г. Шевченко.

Протокол № ___ от ______________ 2010 г.



Содержание:

Введение

Раздел №1 Основные термины, понятия и определения.

§1.1. Распространенность химических веществ в окружающей среде.Кларки химических элементов в биосфере, атмосфере, гидросфере, литосфере, космосе.

§1.2. Биофильность и технофильность химического элемента. Техногенные потоки элементов в окружающей среде. Тупиковый характер потоков технофильных элементов в биосфере.

§1.3.Определение термина «загрязнитель» (ксенобиотик) для окружающей среды. Понятие о поведении загрязнителей как о сложных процессах взаимодействия его с компонентами природной среды.

Раздел №2 Физика атмосферы.

§2.1.Тепловой баланс системы «поверхность Земли - атмосфера».

§2.2. Инсоляция, отраженное поглощение, собственное излучение земной поверхности и атмосферы.

§2.3.Критические элементы баланса, определяющие среднюю температуру поверхности земли.Роль альбедо атмосферы и земной поверхности. Изменение альбедо вследствие аэрозольных загрязнений. Возможные последствия.

§2.4.Ионосфера Земли.

§2.5.Геомагнитные «ловушки» космических частиц. Радиационные пояса Земли.

§2.6. Возмущение ионосферы при запусках ракетно-космической техники.

Раздел №3 Химия основных загрязнителей атмосферы.

§3.1.Современный химический состав атмосферы. Гомосфера и Гетеросфера.

§3.2.Окислительные компоненты атмосферы: озон, синглетный и атомарный кислород, гидроксил (OH) и гидропероксид (НО2) радикалы.

§3.3.Озоновый слой планеты Земля. Химические реакции образования и распада стратосферного озона. Динамика озонового слоя.

§3.4.Излучение Солнца с нм.как фотохимический фактор в верхних слоях атмосферы. Стратосферный озоновый экран, профили концентрации озона на высоте 10-50 км.от поверхности Земли. Поглащение излучения Солнца с нм.озоновым слоем.

§3.5.Озоноразрушающие вещества в стратосфере. Реакции разрушения озона продуктами фотолиза хлорфторуглеродов (фреонов) и свободными радикалами, поступающими из выхлопов ракетных двигателей.Общие сведения о фотохимии загрязнителей.

§3.6.Реакция оксидов азота. Фотохимическое окисление монооксида и диоксида азота. Образование атмосферного озона.

§3.7.Окисление оксидов азота озоном в присутствии углеводородов. Образование нитрофенола, пероксиацетилнитратов (ПАН) и пероксибензоилнитратов (ПБН). Фотохимический или «летний»смог Лос-Анджелесского типа.

§3.8.Реакции оксидов серы. Окисление диоксида серы, образование сернистой кислоты. Доокисление сернистой кислоты до серной. Возможность фотохимического окисления диоксида серы в триоксид. Окисление триоксида серы в присутствии паров воды и капельной влаги, образование серной кислоты.

§3.9.Кислотные дожди. «Зимний» смог Лондонского типа.

§3.10.Химические реакции органических соединений. Алканы, кинетические данные о реакциях алканов с радикалами OH. Алкены, реакции с озоном.

§3.11.Фотоокисление и поликонденсация пентахлорфенола (ПХФ). Образование чрезвычайно токсичных полихлорированных диоксинов (на примере полихлордибензо(n)диоксина (ПХДД)).

§3.12.Биогенные углеводороды (терпены). Фотохимические реакции терпенов, выделяемых хвойными и лиственными деревьями (, изопрен).

§3.13.Реакции образования аэрозолей. Образование и рост аэрозольных частиц в атмосфере. Реакции атмосферных кислот.

§3.14.Образование сульфатов и нитратов железа и щелочных металлов. Реакции аммиака, образование сульфата и гидросульфата аммония.

§3.15.Конденсационные аэрозоли, дымы. Гомогенная и гетерогенная полимеризация и поликонденсация углеводородов.

Раздел №4 Физика Мирового океана.

§4.1.Физические характеристики Мирового океана. Радиоактивность природных вод.

§4.2.Роль океанов в регулировании климата и концентрациив атмосфере. Влияние глобального потепления на растворимость

§4.3.Аккумулирование тепла поверхностным слоем морей и океанов. Циркуляционный перенос тепла из низкоширотных в высокоширотные районы.

§4.4. Теплые течения, повышение температуры в прибрежных районах теплых течений.

§4.5. Автоколебания в системе «океан - атмосфера». Южное колебание температуры (феномены «Эль-Ниньо» и «Ла-Ниньо»).

Приложение………………………………………………………………….130

Введение.

Современная биосфера находится под массированным антропогенным воздействием. Это воздействие осуществляется на протяжении значительной части человеческой истории, но в течение последних двух столетий (эпоха индустриальной цивилизации) многократно усилилось и привело к существенным количественным и качественным изменениям биосферы. Человеческая цивилизация обусловила появление на планете новой глобальной материальной системы в виде многослойной насыщенной сферы искусственно созданных объектов.

Планета окружена огромным, простирающимся на миллиарды километров и уникальным в Галактике ореолом модулированных (несущих информацию) радиоволн разных диапазонов от множества источников. У поверхности Земли этот ореол достиг необычайной плотности — люди говорят.

В околоземном космическом пространстве по орбитам движутся тысячи действующих и отработавших искусственных спутников, разгонные ступени ракет, другие объекты. Часть аппаратов выполняет исследования в пределах Солнечной системы. В атмосфере постоянно перемещаются тысячи летательных аппаратов; планета опутана сетью авиатрасс — люди летают.

На поверхности суши простираются пространства возделанных земель, преобразованных и искусственных ландшафтов, расположились гигантские города, огромное число населенных пунктов, сооружений, полигонов, аэродромов, площадок и дорог с искусственным покрытием, железных дорог и других коммуникаций с паутиной линий электропередач и воздушно-проводной связи — люди производят.

Колоссальные массы перемешенных, обработанных и преобразованных горных пород — камня, глины, асфальта, бетона, стекла, металлов — образуют многочисленные скопления на поверхности планеты. Несметное количество различных топок, труб, реакторов, машин и механизмов заполняют планетарную среду химическими, тепловыми, радиационными, электромагнитными и акустическими эмиссиями. Все это излучает, испускает, пахнет, вибрирует, шумит — люди мусорят.

То тут, то там происходят большие и малые аварии, раздаются взрывы, звучат выстрелы - люди воюют.

В разных направлениях и с разными скоростями по земле и воде перемещаются миллионы различных транспортных средств - люди ездят, катаются.

По земле разбросаны многочисленные отвалы пустой породы, терриконы, свалки, развалины. В земле скрыты горные выработки, шахты, рудники, скважины, сети кабелей и трубопроводов, древние культурные слои и захоронения — люди роют Землю.

Полный жизни океан содержит множество искусственных предметов от плавающего мусора до гигантских танкеров, авианосцев, подводных лодок. Водные пространства пересекают трассы морских путей; дно океана усеяно останками кораблей. На континентальных водоемах — плотины, водохранилища и другие гидросооружения; бассейны рек испещрены каналами и оросительными системами. Одним словом, люди активно расширяют свою экологическую нишу, создавая техносферу. Глобальная совокупность продуктов технической цивилизации именуется техносферой.



Техносфера это планетарное пространство, находящееся под воздействием инструментальной и технической производственной деятельности людей и занятое продуктами этой деятельности.

В 1936 г. академик А.Е. Ферсман назвал техногенезом процессы изменений поверхности Земли под влиянием производственной деятельности людей. Позднее Р.К. Баландин (1982) расширил понятие техногенеза и его производное обозначил как техносферу.

Техносфера возникла в процессе нескольких тысячелетий техногенеза. К ней в равной мере относятся и первый костер, зажженный человеком, и Чернобыль, дротик первобытного охотника и баллистические ракеты, египетские пирамиды и небоскребы Манхэттена, оросительные каналы шумеров и Асуанская плотина, идолы острова Пасхи и статуя Свободы в Нью-Йорке.

Техногенез выступает как материальное слагаемое истории человечества. С экологической точки зрения это последний по времени этап эволюции, обусловленный деятельностью человека и вносящий в природу Земли вещества, силы и процессы, которые, в конечном счете, изменяют и нарушают равновесное функционирование биосферы и замкнутость биотического круговорота.

В «Экологическом энциклопедическом словаре» (1999) техносфера определяется как часть биосферы разрушенная и коренным образом преобразованная людьми с помощью прямого или косвенного воздействия технических и техногенных объектов (здания, дороги, механизмы, предприятия и т.п.) в целях наилучшего соответствия социально-экономическим (но не экологическим) потребностям человечества.

Однако называть техносферу частью биосферы можно только в ограниченном смысле. Действительно, техносферу создал человек - порождение биосферы. Техносферой занято значительное пространство, принадлежавшее ранее биоте биосферы. Человек взял под контроль и, по существу, включил в состав техносферы несколько сотен видов растений и животных. Однако значительная часть современной техносферы — это совершенно новое надприродное образование, генетически не связанное с законами биосферы. В целом техносфера — грандиозный артефакт и изучение процессов происходящих в ней поможет найти компромисс с природой или уменьшить вред наносимый ныне.



Раздел №1 Основные термины, понятия и определения.

§1.1. Распространенность химических веществ в окружающей среде. Кларки химических элементов в биосфере, атмосфере, гидросфере, литосфере, космосе.

Все химические вещества состоят из химических элементов. Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядомядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблицеМенделеева. Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества(одноэлементные).



Химические вещества могут состоять как из одного химического элемента (простое вещество), так и из разных (сложное вещество или химическое соединение).

Химические элементы образуют около 500 простых веществ. Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией.

В обычных условиях 11 элементов существуют в виде газообразынх простых веществ (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe, Rn), 2 — жидкости (Br и Hg), остальные элементы образуют твёрдые тела. Таким образом, взаимодействуя между собой в разных средах они образуют разнообразное количество химических соединений (веществ) распространенных по всей Земле и за ее пределами (космосе).

Термин "кларк" предложен А. Е. Ферсманом в 1923, назван в честь амер. геохимика Франка Уилгсуорта Кларка. В США и др. западных странах используют термин "распространенность хим. элементов".

Кларки химических элементов - это числа, выражающие среднее содержание элементов в литосфере, земном ядре, Земле в целом, атмосфере, гидросфере, живых организмах, породах Луны, атмосфере Солнца, звезд и т.д.

Различают кларки химических элементовмассовые (в %, г/т и др.) и атомные (в % от числа атомов).

Для литосферы и океана кларки химических элементов установлены на основе вычисления среднего из анализов многих тысяч образцов горных пород и вод. По А. А. Беусу (1981), 12 главных кларков (в % по массе) в литосфере (без осадочной оболочки): О 46,1, Si 26,7, Аl 8,1, Fe 6,0, Mg 3,0, Mn 0,09, Ca 5,0, Na 2,3, К 1,6, Ti (титан) 0,6, P 0,09, H 0,11; прочие 0,3. В земном ядре преобладают Fe (ок. 80%) и Ni (ок. 8%); в Земле в целом (на основе разл. допущений) - Fe (35%), О (30%), Si (кремний) (15%), Mg (13%); в космосе - Н и Не (гелий).



Элементы с кларками менее 0,01-0,001% наз. редкими, если при этом они обладают слабой способностью к концентрации - редкими рассеянными, например кларки U и Вr в литосфере соотв. равны 2,5.10-4 и 2,1.10-4%, но U (уран) - редкий элемент (известно 104 минерала. содержащих U), а Вr - редкий рассеянный (известен лишь один его собственный минерал). При анализе величин атомных кларки химических элементов выявляется еще большее преобладание кислорода и др. легких элементов. По закону Кларка-Вернадского (о всеобщем рассеянии хим. элементов), в любом объекте природной системы находятся все известные на Земле элементы.

Согласно основному геохимическому закону (В. Гольдшмидт),кларки химических элементов зависят от строения атомного ядра, а распределение элементов, связанное с их миграцией, - от строения электронных оболочек, определяющих хим. свойства атомов. Однако это верно только для космоса в целом.

Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять порядков. Так, если алюминия в земной коре содержится более 8% процентов по массе, то, например, золота 4,3·10-7 %, меди – 5·10-3 %, урана – 3·10–4%, а такого редкого металла, как рений – всего 7·10–8 %. Элементы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют в природе многочисленные самостоятельные химические соединения, а элементы с малыми кларками рассеяны, преимущественно, среди химических соединений других элементов.



Биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера – продукт взаимодействия живой и неживой природы Земли. С момента своего возникновения живые организмы представляют собой важную биогеохимическую силу, преобразующую земную кору. В.И. Вернадский определял биосферу как область активной жизни, которая включает в себя организмы и среду их обитания.

Атмосфера, или газовая оболочка Земли, состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа, озона и инертных газов.

Гидросфера, или водная оболочка Земли, составляет около 70% поверхности Земного шара. Наибольшие запасы воды сосредоточены в Мировом океане (до 95%), остальные 5% приходятся на пресные водоемы (озера, реки и т.д.).

Литосфера – это твердая оболочка Земли, включает в себя земную кору и верхнюю часть мантии. Жизнь в литосфере главным образом сосредоточена в ее верхнем, плодородном слое – почве, глубина которого не превышает нескольких метров.

Ко́смос (греч. — порядок, украшение) — это Вселенная состоящая из космического пространства (относительно пустые участки Вселенной, которые лежат вне границ атмосфер небесных тел) и заключающая в себе определения мира в целом, миропорядока, то есть полная противоположность хаосу.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера - наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет несколько слоев:

· тропосфера - нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

· стратосфера;

· ноносфера - там “живое вещество” отсутствует.



Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).

Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

Литосфера - внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.Основными соединениями, образующими литосферу, являются диоксид кремния, силикаты и алюмосиликаты.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора - это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях.

Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. По мнению В.И. Вернадского, большая часть химических элементов, составляющих общую массу живого вещества, раз попав в него, практически в нем и остается все время, переходя из одних организмов в другие, включая человека. Однако следует отметить, что существует постоянный отток элементов из живого вещества в окружающую среду в виде газов, водных растворов и минеральных соединений. Например, при бактериальном разложении многих органических соединений образуются газы (преимущественно СО2) и вода. Часть отмерших организмов (в первую очередь скелетные образования, раковины, еще в теле живого организма состоявшие из минеральных соединений) переходит в значительной мере в косное минеральное вещество. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли.

Также следует отметить, что при аномально высокой концентрации отдельных элементов в среде, окружающей и питающей организмы, последние в своем подавляющем большинстве не могут противостоять вхождению в них этих элементов. При этом существенно повышенная концентрация в организмах одних элементов может вызвать повышение или же понижение концентраций в этих же организмах других элементов, независимо от концентрации последних в окружающей среде (В.А. Алексеенко, 1969). Иными словами, аномально высокое содержание в окружающей среде даже одного химического элемента может привести к дисбалансу многих элементов в организме. Аналогично действует на организмы и недостаточная концентрация каких-либо химических элементов в окружающей среде.

Таким образом, и избыток, и недостаток химических элементов в окружающей среде отрицательно сказываются на состоянии живых организмов, а при определенных дозах могут вызвать их смерть. Люди это знали очень давно и не просто использовали целый ряд химических элементов (и их соединений) в качестве ядов, а пытались обезопасить свою жизнь нормированием их концентраций в среде, из которой они могут попасть в организм. До нас дошли сведения о том, что еще в средние века в Германии были сделаны первые попытки государственного нормирования поступления свинца – тяжелого металла, расположенного много ниже "линии жизни", в человеческий организм. В 1548 и 1577 гг. в этой стране были приняты законы, по которым подмешивание свинца к вину (а это делалось для подслащения и улучшения вкусовых качеств) каралось смертной казнью. Позже там же был принят закон, по которому в оловянной посуде ограничивалось содержание свинца.

Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой - сама воздействует на нее.

Космическая распространенность химических элементов.

Содержание химических элементов в космосе определяется эволюцией окружающего нас мира — Вселенной, и несет в себе информацию об этой эволюции.

Вселенная образовалась около 15 млрд. лет назад в результате Большого взрыва. Ядра атомов водорода и гелия возникли в первые минуты расширения Вселенной. Сотни тысяч лет спустя вещество остыло до температуры, когда атомы Н и Не стали нейтральными. Углеродом и следующими за ним в периодической системе химическими элементами (часто называемыми в отличие от Н и Не тяжелыми элементами или металлами) космическое вещество начало обогащаться на миллиард лет позже, когда во Вселенной сформировались первые звезды. Они были массивными, короткоживущими (<10 млн. лет) и до наших дней не сохранились. В конце своей эволюции они выбросили в окружающий газ продукты происходившего внутри них термоядерного горения — углерод и более тяжелые элементы.

Около 12-13 млрд. лет назад, когда содержание тяжелых элементов достигло уровня ~10-4-10-5 от современного, образовались самые старые из наблюдаемых сейчас звезд и содержащие их галактики (включая нашу Галактику). По мере завершения своей эволюции эти звезды продолжали обогащать межзвездный газ внутри галактик тяжелыми элементами. Чем меньше масса звезды, тем медленнее она эволюционирует и тем дольше живет.

Последующие поколения звезд формировались из межзвездного вещества с все большим содержанием тяжелых элементов по отношению к водороду и гелию. Солнце родилось около 5 млрд. лет назад из межзвездного вещества, 2 % массы которого составляли химические элементы тяжелее гелия. Сейчас межзвездное вещество, сосредоточенное в основном в диске нашей Галактики (наблюдаемом как Млечный путь), содержит около 4 % тяжелых элементов, т. е. вдвое больше, чем при образовании Солнца.

Исследование экзосолнечных планет указывает, что для образования планет необходимо достаточно высокое содержание тяжелых элементов. У звезд, содержащих примерно втрое меньше тяжелых элементов, чем на Солнце, пока планеты не обнаружены. Заметим, что в атмосферах небольшой части звезд, более горячих, чем Солнце, имеются сильные отклонения содержания отдельных элементов от средней космической распространенности, прежде всего, избытки редких элементов — бария, ртути, лантанидов.После исчерпания ядерного топлива звезды сбрасывают значительную часть своей массы либо плавно, создавая околозвездные оболочки и так называемые планетарные туманности (название историческое, к планетам отношения не имеет), либо при взрыве звезды, наблюдаемой как явление сверхновой звезды. Центральная часть заканчивающей свою эволюцию звезды превращается в очень плотный объект: белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру. Сброшенное вещество содержит продукты ядерной переработки, т. е. обогащено тяжелыми элементами, и пополняет ими межзвездную среду в галактиках. Обогащение элементами группы железа и более тяжелыми происходит практически только при взрывах сверхновых.

Звезды около 90 % времени своей эволюции проводят на стадии главной последовательности, когда в их недрах идут ядерные реакции горения водорода и образования гелия.

Эволюция более массивных звезд и некоторых маломассивных двойных звездных систем завершается мощным взрывом и образованием нейтронных звезд и черных дыр. Взрыв, наблюдаемый как явление сверхновой звезды, сопровождается образованием всех элементов тяжелее железа вплоть до трансурановых и выносом их ударной волной наружу в межзвездное пространство.

Из обогащенного тяжелыми элементами межзвездного газа рождается новое поколение звезд. Такой круговорот вещества в галактиках приводит к постепенному обогащению Вселенной элементами тяжелее гелия.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2000г.

2.      Иллюстрированный энциклопедический словарь, Москва, Большая российская энциклопедия, 2000г.

3.      Гумелевский Л. П. “ЖЗЛ: Вернадский”, М.1988, изд-во “Молодая гвардия”

4.      Энциклопедия для детей: география. Москва, Аванта плюс.

5.      Моисеев Н. Н. Человек и ноосфера. – М.: Молодая гвардия, 1990. – 351 с.

6.      Мотылева Л. С. Концепции современного естествознания. Учеб.для вузов/Издательство Союз 2000 г. 318 с.

Ален Р.Д. Наука о жизни. - М.: 1981.

2. Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - М.: 1988.

3. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. - М.: 1988.

4. Лаппо А.В. Следы белых биосфер. - М.: 1979.

5. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М.:2000.



§1.2. Биофильность и технофильность химического элемента. Техногенные потоки элементов в окружающей среде. Тупиковый характер потоков технофильных элементов в биосфере.

Биофильность и технофильность химического элемента.

Биофильность элементов – определяется их коэффициентом концентрации в живом веществе относительно литосферы. Наиболее биофилен С (7800), далее идут N (160) и Н (70). К биофильным относятся также элементы, у которых кларк в живом веществе в целом близок к литосферному (немного выше или ниже): O, Cl, S, P, B, Br, J. Наименее биофильны – Al и Fe, чуть менее – Si и ещё ряд элементов.

В последнее время, в связи с процессом трансформации современной биосферы в ноосферу, в геохимии биосферы и экологии широко используется понятие о технофильности химических элементов. По аналогии с биофильностью технофильность элементов – определяется их коэффициентом концентрации в результате техногенных процессов.По определению А.И. Перельмана (1972), этот показатель фиксирует соотношение и связи между использованием химического элемента человечеством и распространенностью в земной коре.



Миграция химических элементов - процесс переноса и природорасположения химических элементов в геосистеме. Особенности этого процесса зависят от свойств элемента (химической активности, способности образовывать растворимые и нерастворимые соединения), свойств и условий среды (температуры, давления, кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий).

Миграционный поток веществ - перемещение в окружающей среде, в том числе геологическом, химических элементов и их соединений в газообразном, растворенном и расплавленном, твердом состояниях

Чтобы предсказать миграционную способность элемента, нужно знать химические свойства его соединений и свойства среды, в которой он мигрирует



С появлением человека и развитием человеческого общества появляется новый и самый сложный вид миграции химических элементов - техногенная миграция. Особенно быстро её роль возрастает последние два столетия (с начала промышленной революции). При этом многократно возрастает влияние техногенеза на природные процессы, техногенная нагрузка на природные системы, вплоть до биосферы в целом. Биосфера трансформируется и переходит в новое качество. В то же время люди до сих пор плохо знают законы, которым подчиняется техногенная миграция, механизмы влияния этих процессов на природные системы. Лишь в начале ХХ в. эти вопросы были поставлены В.И. Вернадским, и им же заложены концептуальные подходы к решению данного круга проблем. Но систематические исследования начались (и у нас, и за рубежом) только с 50-х годов ХХ в.

Для характеристики техногенной миграции и связанного с нею распределения химических элементов на земной поверхности используются понятия:

Техногенные ореолы рассеяния.

Техногенные аномалии (выделяются в депонирующих, т.е. накапливающих средах и могут соответствовать ореолам рассеяния). Могут быть не только вредными, но и полезными. Например, те, которые являются результатом известкования кислых почв, что улучшает агрохимические свойства. Практикуется также непосредственное внесение дефицитных минеральных компонентов не в среду, а непосредственно в пищу животных и человека (пищевые добавки).

Техногенные потоки рассеяния (выделяются в транзитных средах - водах, воздухе, донных осадках водотоков).

Техногенные зоны выщелачивания. В большинстве связаны с выщелачиванием элементов из отвалов горнодобывающих предприятий. В этих случаях с ними могут быть связаны техногенные потоки рассеяния и ореолы загрязнения в сопряжённых ландшафтах, где выщелоченные компоненты будут накапливаться. Нередко выщелачивание применяется искусственно как технология извлечения минерального компонента из руд.

Техногенные геохимические барьеры. Понятие двоякого употребления, что не очень удобно. С одной стороны - так называют природные барьеры, на которых концентрируются элементы, попавшие в ландшафт в результате техногенной миграции. С другой - искусственно создаваемые барьеры для локализации загрязнения. Например, известковые валы, служащие для осаждения элементов, переносимых кислыми водами. Или искусственные сорбционные барьеры.

В общем виде эти процессы сводятся к изъятию элементов из одних ландшафтно-геохимических систем, их переносу и поступлению в другие ландшафтно-геохимические системы, включая и накопление в последних. Для этих процессов, как и собственно в биосфере, используется, главным образом, преобразованная солнечная энергия, причём формы её использования более разнообразны. Широко используется в том числе и солнечная энергия, аккумулированная в прошлые геологические эпохи (горючие полезные ископаемые). Используются и эндогенные источники энергии, в том числе и энергия радиоактивного распада, использование которой в таких масштабах чуждо биосфере и возможные последствия её применения ясны ещё далеко не в полной мере.

Выделяется два геохимических типа процессов техногенной миграции.

Миграция, унаследованная от биосферы, но техногенно изменённая. Это процессы, связанные с биологическим круговоротом, водной и воздушной миграцией элементов. Для их характеристики можно использовать те же понятия, которые разработаны применительно к процессам биогенной и физико-химической миграции.

Собственно техногенная миграция в формах, чуждых биосфере. Производство веществ, не существующих в природе, использование атомной энергии, перемещения вещества, подчиняющиеся социальным законам. Здесь требуется новый понятийный аппарат, который сейчас находится в стадии разработки.

Один из важнейших геохимических показателей техногенеза - технофильность химических элементов. Это отношение ежегодной добычи или производства элемента (в тоннах) к его кларку в литосфере. Таким образом, эта величина характеризует относительные масштабы извлечения элементы из природных сред в целях его промышленного использования человеком. При этом не учитываются параметры обратного выхода этих элементов из техногенного оборота, что делает показатель не вполне совершенным (тупиковый характер потоков технофильных элементов в биосфере). То есть, в отличие от биофильности, этот показатель не является точным отражением концентрации элемента в продуктах техногенеза. (Ещё Вернадский отмечал, что абсолютная тенденция к концентрации на современном этапе ноосферогенеза характерна только для золота, остальные элементы в конечном счёте попадают в отходы производственной и бытовой деятельности и рассеиваются). Вторая особенность - динамичность показателя. В древности использовалось 18 элементов, в 18 веке - 28, к началу ХХ - около 70, а сейчас в техногенез вовлечены все известные элементы, плюс некоторые созданные искусственно элементы и изотопы. Развитие экономики и технологий приводит к постоянному изменению соотношения технофильности различных элементов. Сейчас наибольшая величина технофильности свойственна углероду, что характеризует интенсивность использования горючих полезных ископаемых. Высокие показатели - для фосфора, золота, свинца, цинка, меди. С другой стороны, низки величины технофильности для таких распространённых элементов, как магний, титан, и особенно - кремний. По существу это характеризует низкую степень использования этих элементов в техногенезе, что со временем, вероятно, изменится. Для кремния время этих изменений уже наступает в связи с началом внедрения керамики в качестве замены металлам и пластмассам (здесь лидирует Япония). В целом по мере развития науки и техники всё большей становится регулирующая роль кларка, так как богатые месторождения истощаются и со временем, видимо, человечество вынуждено будет перейти к извлечению элементов из пород, где их содержания ненамного отличаются от кларковых.



Список литературы:

1. Войткевич В.В., Закруткин В.В. Основы геохимии: Учеб.пособие М.: Высш. Шк., 1976. - 368 с.

2. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных А.С.,Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии М.: Недра, 1977. - 184 с.

3. Добровольский В.В. Основы биогеохимии: учебник М.: Изд. Центр Академия, 2003. - 400 с.

4. Иевлев А.М. Биогеохимия: учебник М.: В. Шк., 1986. - 127 с.
§1.3. Определение термина «загрязнитель» (ксенобиотик) для окружающей среды. Понятие о поведении загрязнителей как о сложных процессах взаимодействия его с компонентами природной среды.

Загрязнитель — любой природный или антропогенный агент, попадающий в окружающую природную среду в количествах, превышающих фоновые значения и вызывающий тем самым её загрязнение (также загрязнителем именуют и источник загрязнения, например, завод или полигон ТБО). При этом “мерой” загрязнения данным агентом среды является степень отклонения от фоновых значений данного агента. Согласно этой (широкой) трактовке любой новый для среды агент (даже если он не токсичен по отношению к биоте) рассматривается как загрязнитель.

В узком смысле “загрязнитель” - это физический, химический или биологический компонент, попавший в среду техногенным путем и оказывающий вредное токсическое действие на биоту (живые организмы).

Ксенобиотики (от греческого xenos - чужой и bios - жизнь) - условная категория для обозначения чужеродных для живых организмов химических веществ, естественно не входящих в биотический круговорот. Как правило, повышение концентрации ксенобиотиков в окружающей среде прямо или косвенно связано с хозяйственной деятельностью человека. К ним в ряде случаев относят: пестициды, некоторые моющие средства (детергенты), радионуклиды, синтетические красители, полиароматические углеводороды и др. Попадая в окружающую природную среду, они могут вызвать повышение частоты аллергических реакций, гибель организмов, изменить наследственные признаки, снизить иммунитет, нарушить обмен веществ, нарушить ход процессов в естественных экосистемах вплоть до уровня биосферы в целом.

Виды загрязнителей.

Загрязняющее вещество — химическое вещество, присутствующее в окружающей среде в количествах, превышающих фоновые значения.

Физические загрязнители - загрязнители , созданные различными физическими полями: (электромагнитное излучение, шум, радиоактивное излучение).

Биологические загрязнители — биологические виды (в том числе микроорганизмы), не характерные для данного биогеоценоза или находящиеся там в излишних, превышающих обычные, количествах.

Техногенные (антропогенные) загрязнители - агенты загрязнения, созданные человеком (тяжёлые металлы (кадмий, свинец, ртуть и другие), фреоны, нефтепродукты, пластмассы).

Природные (естественные) загрязнители - агенты загрязнения, имеющие природное происхождение (образуются в результате естественных процессов, таких как извержения вулканов и лесные пожары).

Актуальность проблем, рассматриваемых в ксенобиологии все возрастает. Это обусловлено тем, что ежегодно на Земле синтезируются десятки тысяч новых соединений. Ряд из них вовлекаются в круговорот веществ в природе. Чем шире масштабы производства химических соединений, тем больше влияние они оказывают на биологические процессы в почве, водоемах и на суше, тем сильнее проявляются побочные и отдаленные последствия их действия на живые системы.

Воздействие ксенобиотиков на живой мир, и на человека в частности происходит, в самых различных комбинациях этих соединений не только друг с другом, но и с фактором окружающей среды. Поэтому многие из ксенобиотиков, вошедших в сегодняшнюю практику могут являться носителями опасного биологического действия.

Ксенобиотики в окружающей среде

Непрерывное увеличение промышленного производства химических веществ и расширение их ассортимента, связанные с возрастающими потребностями развивающихся технологий, неизбежно влекут за собой усиление вызываемой ими экологической безопасности. Ее источники черезвычайно разнообразны и могут включать в себя попадание химических соединений, в том числе и весьма токсичных, в окружающую среду с промышленными отходами при транспортировке и при использовании по прямому назначению. Превышение порогов надежности экологических систем под действием экстремальных факторов антропогенного происхождения может являться причиной существенных изменений условий существования и функционирования биогеоценозов.

Таким образом, в экологическом аспекте любые химические загрязнения являются чужеродным комплексом в экосистеме, способным превысить эволюционно выработанные адаптивные возможности живых организмов.

Практическое значение имеет подразделение вредных веществ, с которыми контактирует биогеоценоз, на четыре класса опасности: I - черезвычайно опасные, II - высокоопасные, III - умеренно опасные и IV - малоопасные. Серъёзную обеспокоенность экологов вызывают продукты хлорного производства, их дальнейший ход и циркуляция в биосфере. Наряду с продуктами промышленного выброса, опасными ксенобиотиками, загрязняющими биосферу, являются применяемые в сельском хозяйстве химические средства защиты растений: гербициды, фунгициды, дефолианты и другие.

Особенно велико и экологически опасно загрязнение токсикантами тканей водных организмов. Установлено, что по мере движения химических соединений по пищевой цепи от продуцентов до консументов, оно вследствие медленного метаболизма и неполной экскреции во внешнюю среду продолжает накапливаться, переходя во всё возрастающих концентрациях.

Всё более актуальной проблемой токсикологии становится установление степени токсичности и опасности ксенобиотиков, освобождающихся при пожарах. Вследствие выброса в окружающую среду токсических веществ в результате термодеструкции различных синтетических материалов, серъёзную тревогу вызывает накопление диоксинов, цианидов, фосфорорганических веществ, оксида углерода и других веществ в прилегающих к очагам территориях. Экологическая опасность многих групп токсикантов усиливается вследствие высокой устойчивости их к воздействию физико-химических факторов окружающей среды и медленной биодеструкции.

Поступление токсических веществ в организм обуславливает нарушение обмена веществ, нарушение физико-химической структуры клеток и тканей, в результате чего возникают патологические изменения.

Вместе с тем, специфическое и неспецифическое (общетоксическое) действие ксенобиотиков зависит не только от их токсикологических характеристик, но и от активности физических и биохимических методов защиты, включающих иммунную систему и систему биотрансформации чужеродных химических соединений. Следовательно, экологические системы обладают выработанными в процессе эволюции мощными механизмами защиты от экстремальных химических воздействий, как на популяционном уровне, так и на уровне отдельных особей. Вместе с тем, в настоящее время скорость антропогенных изменений в биосфере начинает превышать возможности приспособляемости к новым условиям среды.



Американский ученый Барри Коммонер вывел четыре закона, объективно отражающих связи и отношения в окружающей среде.

  1. Все существующее в природе тесно взаимосвязано

Он отражает колоссальную систему связей в биосфере между живыми организмами, видами, популяциями и их физико-химическим окружением. Всякое изменение этих связей немедленно отражается на живой природе и, если оно агрессивно, вызывает бедствия в биосфере.

  1. Все, имеющее биологическое или антропогенное происхождение, бесследно не исчезает

Он исходит из фундаментального закона "материя не исчезает, она переходит из одной формы в другую на моллекулярной основе и продолжает присутствовать в экосистеме". Второй закон даёт одно из объяснений нынешнему состоянию окружающей среды: она переполнена новыми соединениями, которые и после биотрансформации сохраняют часть токсичности.

  1. На каждое образуемое природой вещество имеется фермент, способствующий его разложению

Из этого закона следует, что ни одному органическому веществу нет места в природе, если для его разложения нет фермента. Человек же в результате деятельности создает химические соединения, к которым нет ферментов, приводящим к их нейтрализации. В итоге происходит накопление и загрязнение биосферы вышеназванными соединениями.

  1. Растущие потребности в природных ресурсах требуют столь же растущих компенсаций

Четвертый закон суммирует три предыдущих. Биосфера представляет собой единое целое; соответственно, всё извлекаемое из природной среды должно быть по возможности возвращено или скомпенсировано, не нанося ущерба окружающей среде.

Наша жизнь и прогресс таковы, что всегда сопровождаются опасными явлениями и событиями. Упрочнение безопасности жизни всегда окупается, нам же необходимо быть подготовленными морально, физически и методологически.


Экологическая опасность диоксинов.


Диоксины - абсолютно уникальные вещества. Специально их никто не производит, они образуются как побочные продукты высокотемпературных химических реакций с участием хлора и попадают в окружающую среду с продукцией или отходами многих технологий. Данные ксенобиотики (вещества, являющиеся чужеродными естественной среде и человеку) представляют собой группу химических соединений, характеризующуюся наличием хлора, связанного с атомами углерода.

Для образования диоксинов необходимо сочетание трех условий: органика, хлор и высокая температура. Серъезной проблемой являются практически все термические процессы, так как термическое разложение технических продуктов, сжигание осадков сточных вод, муниципальных и других небезопасных при сгорании промышленных и бытовых отходов (например, ПХБ и изделия из ПВХ, целлюлозно-бумажная продукция и пластические массы) сопровождаются образованием экологически опасных количеств диоксинов. В особенности это касается аварийной обстановки, в частности, при пожарах на производстве. В результате термодеструкции синтетических материалов при пожарах возможны массовые острые и хронические отравления людей различными выделяющимися ксенобиотиками.

Отличительной чертой представителей этих соединений является черезвычайно высокая устойчивость к химическому и биологическому разложению; они способны сохраняться в окружающей среде, концентрироваться в биомассе и переноситься по пищевым цепям. Эти вещества являются супертоксикантами, универсальными клеточными ядами, поражающими всё живое.

В настоящее время строго доказано, что диоксины имеют исключительно техногенное происхождение, хотя и не являются целью ни одной из существующих ныне технологий. Поступление диоксинов в окружающую среду происходит преимущественно в виде микропримесей, поэтому на фоне других техногенных выбросов их негативное воздействие на живое вещество планеты долгое время оставалось незамеченным.



Классификация способов поступления диоксинов в биосферу. Согласно ей, выделяют три основные группы способов:

  1. функционирование несовершенных, экологически небезопасных технологий производства продукции химической, целюллозно-бумажной, металлургической промышленности. Для них всех характерны диоксинсодержащие отходы и сточные воды в период регулярной деятельности, а также большие дополнительные выбросы в случае аварийной обстановки;

  2. использование химической или иной продукции, содержащей примеси (диоксинов или их предшественников) и/или продуцирующей их в процессе использования или аварии;

  3. несовершенство и небезопасность технологии уничтожения, захоронения и преобразования отходов.




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница