Атмосфера и воздействие на неё
Занятие 1
Основные экологические понятия и принципы
Термин «Экология» введен в 1866 году немецким биологом Эрнстом Геккелем.
Современная экология анализирует условия существования всех живых организмов и
их изменения под действием преобразующих или разрушающих естественных и
антропогенных воздействий. В задачи экологии входят вопросы прогнозирования
изменения в природе под влиянием деятельности человека, научное обеспечение при
восстановлении нарушенных природных систем и сохранения среды обитания человека.
Объект изучения экологии выходит далеко за пределы биологии. Этим объектом
становится прежде всего окружающая среда, в которой могут существовать живые
организмы. Часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них определённое воздействие, называется средой обитания. Каждый организм адаптирован к своей среде обитания. Отдельные элементы среды обитания, способные воздействовать на организмы – экологические факторы. Они делятся на абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы – компоненты неживой природы. В их число входят физические условия, химический состав, эдафические факторы – связанные с почвой и т.д. Биотические факторы – взаимодействие живых организмов друг на друга.
Для экосистемы, организма или определенной стадии её развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора. По отношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (угнетения) и пределы выносливости организма. Различают нижний и верхний предел выносливости.
|
|
|
Изначально понятие оптимального значения фактора относилось к биологическим видам. Но действие оптимальных факторов проявляется не только в живой природе, при этом оно выражено аналогично. Поэтому появляется возможность распространить понятия, изначально относящиеся к биологии, на всю окружающую природную среду, и на результаты деятельности человека. Таким образом, формулируется обобщённый экологический принцип: всякий объект сохраняет свои структурные и функциональные свойства лишь при определённых значениях параметров внешней среды. К фундаментальным принципам, применимым к рассмотрению взаимосвязей в окружающей среде, относятся также законы сохранения вещества и энергии, принцип ухудшения качества вещества и энергии по мере их использования – следствие второго закона термодинамики.
Всё вещество и энергия в окружающей среде находится в кругообороте.
Человечество и его производственная деятельность также подчиняется биологическим и физическим законам. Люди, как и все живые организмы, способны при изначально значительно превышающих ресурсах и отсутствии внешних лимитирующих факторов, увеличивать свою численность в геометрической прогрессии. Рост численности в геометрической прогрессии называется экспоненциальным ростом. Такая тенденция наблюдалась в ХХ веке, за который численность населения увеличилась с 1,5 до 6 млрд. человек. Темпы роста производства и материального благосостояния были ещё больше. Одновременно произошло и значительное увеличение потребления природных ресурсов. В то же время рост населения, и в ХХ веке, и раньше, часто становился возможным за счёт изменений в технологиях обеспечения продовольствием. В ХХ веке революционным изменением стала химизация сельского хозяйства, с биологической точки зрения представлявшая собой переход человека на наиболее низкую и при этом самую многочисленную по особям ступень цепи питания – организмов, вырабатывающих органическое вещество из неорганического.
|
|
|
В результате роста численности населения, а следовательно, и роста промышленного производства воздействие на окружающую среду многократно возросло. Экологическая нагрузка на окружающую среду особенно резко возросла за последнее столетие. Техническое развитие настолько серьезно повлияло на баланс веществ в природе, что в отдельных регионах уже всерьез можно говорить об экологической катастрофе. Поэтому, чтобы не произошла экологическая катастрофа в глобальном масштабе, человечество наряду с потреблением природных ресурсов должно направлять максимальные усилия на защиту и восстановление окружающей среды. Раздел науки и техники, направленный на разработку мер по защите и восстановлению окружающей среды, получил название инженерной экологии.
|
|
|
Загрязнение окружающей среды может быть определено как вызванное антропогенной деятельностью внесение (поступление) в ОС или самопроизвольное возникновение (образование) в ней новых (нехарактерных) вредных химических веществ, физических факторов, биологических агентов, превышение за определенное время установленной нормы или естественного многолетнего среднего уровня их количественной характеристики в объеме ОС. Защита окружающей среды от загрязнений является одной из основных задач в проблеме рационального природопользования.
С 1970-х г.г. для человечества исключительное значение приобрели экологические (от слова oikos - дом, окружающая среда) проблемы, сущность которых - в ухудшении
качества окружающей среды. Немаловажной, но не единственной причиной
экологических проблем считается развитие техники. В то же время технический прогресс может создать свой вклад в решение проблем окружающей среды. От экологических проблем неотделимыми стали энергетические и сырьевые.
|
|
|
Хозяйственная деятельность человека затрагивает все составляющие окружающей
среды (геосферы) - атмосферу, гидросферу, земную кору, биосферу. Деградация
окружающей среды под действием хозяйственной деятельности человека отмечалась во все исторические эпохи, но исключительные размеры приняла во время всемирного
индустриального развития (XIX - ХХ в.в.).
Атмосфера и воздействие на неё
Атмосферой, как известно, называется газовая оболочка Земли. Атмосфера – важнейший фактор поддержания жизни. Составляющие атмосферу газы, прежде всего кислород и углекислый газ, активно участвуют в обмене веществ живых организмов.
Живые организмы настолько приспособились к сложившемуся составу атмосферы, что даже незначительные изменения в этом составе грозят тяжёлыми последствиями для жизнедеятельности. Жидкие и газовые среды в организмах находятся в равновесии
атмосферным давлением (так, при 40 мм рт. ст. вода кипит при 370С - температуре тела человека). Атмосфера также снижает перепад температур на освещённой и теневой стороне поверхности Земли, при отсутствии атмосферы этот перепад составлял бы 200 С.
Атмосфера имеет несколько слоёв - тропосфера (до 15 км над уровнем океана),
стратосфера (с 15 до 55 км), мезосфера (с 55 до 80 км), термосфера (с 80 до 100 км),
экзосфера (выше 200 км). В тропосфере сосредоточено 80%.водяного пара, протекает
большинство метеорологических процессов, температура падает с высотой и достигает на верхней границе слоя -50ОС. В стратосфере температура растёт с высотой, достигая на 30-километровой высоте + 200с, далее опять падает с высотой до границы мезосферы и термосферы. Положительная температура в стратосфере вызывается поглощением солнечной радиации. .
Поглощение солнечной радиации нам высоте 20 - 30 км приводит к образованию
озона. Превращение кислорода в озон - процесс, идущий с поглощением энергии, с
наибольшим выходом в диапазоне волн 250 - 300 нм. Это излучение, доходя до земной
поверхности, разрушает белки и нуклеиновые кислоты, подавляет фотосинтез. Поэтому наличие озонового экрана способствовало выходу жизни на сушу. Наличие озонового экрана способствовало выходу жизни на поверхность Земли и в воздух. Наибольшую концентрацию озон имеет вблизи полюсов Земли.
Озон, а также углекислый газ, водяные пары и метан поглощают инфракрасное
излучение, отражаемое или переизлучаемое земной поверхностью. По причине
поглощения температура воздуха, как известно, характеризующая кинетическую энергию газовых молекул, составляет + 150с. При отсутствии парниковых газов температура воздуха у земной поверхности составила бы -180С.
Воздействие хозяйственной деятельности на атмосферу может быть подразделено на химическое и физическое. К химическому воздействию относятся выбросы газов и пылей в объёмах, превышающих естественные источники; к физическим - выбросы с избытком тепла, шум, инфразвук, электромагнитные поля
Концентрация выбросов газов и пылей в различных слоях воздуха зависит от
вертикального распределения температур. Накоплению вредных примесей в приземном слое воздуха способствует инверсия - наличие более холодного воздуха внизу и более тёплого вверху. Напротив, конвекция, при которой холодный воздух находится выше тёплого, способствует уносу выбросов от источника.
Основное место среди воздействий на атмосферу занимают выбросы продуктов
сгорания топлив. 80% вырабатываемой в настоящее время в мире энергии имеет
источником ископаемое углеродное топливо, обязательной примесью в котором является сера в свободном виде и в соединениях, и соединения. азота. При высоких температурах идёт также окисление азота воздуха.
Получение энергии при сжигании ископаемого топлива невозможно без кислородного окисления. Ежегодно расходуется 50 млрд. т кислорода, что составляет 10-16% того кислорода, который за то же время вырабатывается растительностью.
Выбросы сернистого газа SО2, источником которого на 65% является тепловая
энергетика, на 3% - транспорт, в два раза превосходят его естественные источники -
вулканические газы, лесные пожары. Ежегодно выбрасывается 60 - 70 млн. т серы в виде SО2.
В атмосферу ежегодно выбрасывается 60 млн. т окислов азота.
12 млн. т приходится на сжигание ископаемого топлива,
8 млн. т на обмен веществ в почвах в результате использования удобрений, ещё
8 млн. т - при работе транспорта с двигателями внутреннего сгорания.
К естественным источникам относятся лесные пожары (12 млн. т) и грозовые разряды (8 млн. т). Выбросы в атмосферу окислов серы и азота вызвали увеличение кислотности атмосферных осадков. Количественные данные о кислотности атмосферных осадков отмечаются, начиная с 1950-х г.г. Расширению зоны закисления осадков способствовало строительство высоких дымовых труб. (Считалось, что чем выше труба, тем ниже концентрация газовых выбросов в приземном слое воздуха, зависимость загрязнения воздуха от высоты трубы упоминается в задаче). Выброс дымовых газов на большие высоты приводит к увеличению продолжительности существования кислотных загрязнений атмосферы и переносу их на большие расстояния. Кислотность осадков в настоящее время в 10-100 раз (изменение pH=-lg[Н+]на 1 - 2 единицы) превосходит естественную. Случаются дожди с рН<3,0 (для сравнения, пищевой уксус имеет рН=2,8), Увеличение кислотности осадков приводит к ухудшению здоровья людей, к закислению и снижению плодородия почв. Высокая кислотность воздуха в городах, промышленных районах вызывает разрушение каменных и металлических конструкций. Угрожающие масштабы может приобрести увеличение кислотности осадков при возвращении к использованию угля как основного вида топлива.
В регионах с высокой степенью индустриализации 60% кислотности осадков
обусловлено наличием в атмосфере серной кислоты, 30% - азотной, 5% - соляной, 3% -
остальными кислотами. Превращение двуокиси, серы в серную кислоту происходит в
результате реакций с участием свободных радикалов, образующихся при фотохимическом разложении. воды и углеводородов. Реакция ускоряется при наличии в атмосфере аэрозольных частиц и пылей, содержащих металлы. Многие из окислительных процессов в атмосфере протекают только в каплях и плёнках и ещё недостаточно полно изучены.
От кислотных осадков страдают не только почва, водоёмы и сооружений. Человек
реагирует на наличие двуокиси серы при её концентрации в воздухе около 50 мкг/м3.
Длительное воздействие сернистого газа и окислов азота привДлительное воздействие сернистого газа приводит к возникновению заболеваний органов дыхания, в условиях смога проявляется ещё и раздражающее действие этих соединений на слизистые оболочки дыхательных путей и глаз.
Крайней токсичностью обладает дым мусоросжигательных заводов, использующих как бытовой мусор, так и промышленные отходы. Эти дымы содержат, кроме окислов серы и азота, соляную кислоту, соединения фтора, металлы, органические соединения. По-видимому, предлагаемое использование мусора как возобновляемого источника энергии, не получит тенденцию к росту.
Рост концентрации в атмосфере углекислого газа и тепловые выбросы, создаваемые системами охлаждения тепловых электростанций, отходящими газами доменных печей, химическим производством, как известно, усиливают парниковый эффект. Широко известны его последствия - таяние полярных льдов, перераспределение количества осадков, изменение господствующих направлений ветра и океанских течений. В то же время, вклад тепловой энергетики в развитие парникового эффекта составляет только 8%.
С 1985 г. впервые было объявлено о снижении концентрации атмосферного озона
над полярными областями, где он концентрируется в первую очередь. Наблюдается
постепенное расширение озоновых дыр, т.е. областей с пониженным содержанием
озона. Замечено зимнее и весеннее падение концентрации озона в Северном полушарии. В целом региональная картина возникновения озоновых дыр довольно сложна.
Многие детали механизма разрушения озонового слоя были известны до
обнаружения озоновых дыр. Разрушение озона - свободнорадикальный цепной процесс, в котором могут принимать участие водород, окислы азота, хлор. Распространено мнение о роли фреонов (галогенпроизводных углеводородов), используемым в холодильниках, в аэрозольных распылителях, в снижении концентрации озона. Но далее преимущественная роль в разрушении озонового слоя (50-70%) стала отводиться окислам азота. Очевидным становится вывод: процессы, происходящие в стратосфере, ещё до конца не ясны. Как средство решения проблемы стратосферного озона не исключается поиск способов влияния на течение химических реакций в озоновом слое.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 275; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!