Санкт-петербургский государственный политехнический университет
Скачать 1.88 Mb.
|
Министерство образования и науки Российской Федерации  САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ    М. Ю. АНДРИАНОВА Физико-химические основы природных и антропогенных процессов в техносфере Сокращенная версия Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета 2010 УДК 504.062 (075) ББК 20.18я723 Т 69 Рецензенты: Доктор химических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна С.Ф. Гребенников Доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета В. В. Яковлев Андрианова М. Ю. Физико-химические основы природных и антропогенных процессов в техносфере: учеб. пособие / М. Ю. Андрианова. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. – 190 с. ISBN Изложены основные сведения о физических и химических процессах в техносфере с выделением их природной и техногенной составляющих. Даны представления о процессах трансформации веществ в геосферах Земли, рассмотрены физико-химические механизмы, лежащие в основе распространения техногенных загрязнителей в биосфере, формирования смога, кислотных дождей, разрушения озонового слоя, глобальных изменений климата. Пособие предназначено для изучения дисциплины «Физико-химические основы природных и антропогенных процессов в техносфере» для обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность». Работа выполнена в рамках реализации программы развития национального исследовательского университета «Модернизация и развитие политехнического университета как университета нового типа, интегрирующего мультидисциплинарные научные исследования и надотраслевые технологии мирового уровня с целью повышения конкурентоспособности национальной экономики» Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. © Андрианова М. Ю., 2010 © Санкт- Петербургский государственный ISBN политехнический университет, 2010 ОГЛавление 1. Оболочки Земли………………………………………………………. 1.1. Земная кора …………………………………………………… 1.2. Мантия…………………………………………………………. 1.3. Ядро……………………………………………………………. 1.4. Магнитное поле и магнитосфера Земли…………………….. 1.5. Атмосфера……………………………………………………... 1.6. Гидросфера…………………………………………………….. 1.7. Биосфера и педосфера………………………………………… 3. Миграция элементов…………………………………………………. 4. Атмосфера. Солнечная радиация и вертикальная структура……... 4.1. Изменение давления с высотой………………………………. 4.2. Изменение температуры с высотой………………………….. 4.3. Радиационный баланс Земли…………………………………. 4.4. Особенности циркуляции атмосферы……………………….. 5. Биогеохимические циклы элементов……………………………….. 5.1. Цикл кислорода………………………………………………... 5.1.1. Геохимический субцикл цикла кислорода………………… 5.1.2. Биотический и физико-химический субциклы цикла кислорода…………………………………………………………… 5.1.3. Озон в стратосфере………………………………………….. 5.1.4. Озон в тропосфере…………………………………………... 5.1.5. Фотохимический смог………………………………………. 5.2. Гидрологический цикл и цикл водорода…………………………. 5.2.1. Гидрологический цикл……………………………………… 5.2.2. Цикл водорода………………………………………………. 5.2.3. Увеличение кислотности океанской воды………………… 5.3. Цикл азота………………………………………………………….. 5.3.1. Природная фиксация азота…………………………………. 5.3.2. Промышленная фиксация азота…………………………... 5.3.3. Аммонификация…………………………………………… 5.3.4. Нитрификация и другие процессы……………………….. 5.3.5. Денитрификация и другие процессы……………………... 5.3.6. Оксиды азота……………………………………………...... 5.3.7. Физический перенос азота………………………………… 5.4. Цикл серы…………………………………………………………. 5.4.1. Поступление серы в атмосферу…………………………… 5.4.2. Серная кислота и сульфатные аэрозоли………………...... 5.4.3. Атмосферный аэрозоль……………………………………. 5.4.4. Смог лондонского типа……………………………………. 5.4.5. Кислотные дожди………………………………………...... 5.4.6. Ассимиляция сульфата…………………………………..... 5.4.7. Восстановление сульфата и другие процессы………….... 5.4.8. Окисление сероводорода и другие процессы…………..... 5.4.9. Окислительный бактериальный фильтр………………….. 5.5. Циклы фосфора и кремния………………………………………. 5.5.1. Цикл кремния……………………………………………… 5.5.2. Цикл фосфора……………………………………………… 5.6. Циклы тяжелых металлов………………………………………... 5.6.1. Природные источники тяжелых металлов……………….. 5.6.2. Техногенные источники тяжелых металлов……………... 5.6.3. Трансформация антропогенных выбросов тяжелых металлов в почве………………………………………………….. 5.6.4. Токсичность металлов в гидросфере……………………... 5.7. Цикл углерода…………………………………………………….. 5.7.1.Основные процессы цикла углерода……………………… 5.7.2. Глобальное потепление климата и парниковые газы…… 5.7.3. Токсичные соединения углерода…………………………. 5.8. Циклы натрия и хлора……………………………………………. 5.8.2. Цикл натрия………………………………………………… 5.8.2. Засоление почв……………………………………………... 5.8.3. Цикл хлора……………………………………………. …. 5.8.4. Галогенорганические соединения……………………… 5.8.5. Стойкие органические загрязнители и другие приоритетные поллютанты…………………………………. … Библиографический список………………………………………… 1. Оболочки Земли Геосферы – концентрические (сплошные или прерывистые) оболочки, образованные веществом Земли, различающиеся между собой по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам. Выделяют следующие геосферы Земли: атмосфера, гидросфера, кора, мантия, ядро (см. табл. 1.1). Таблица 1.1 Характеристики геосфер Земли
В естественных науках выделяют и другие крупные сферы (оболочки) Земли. Так, объектом изучения физической географии являются географическая оболочка, образованная приповерхностными частями планеты. Географическая оболочка – это природный комплекс, возникающий в слое взаимодействия и взаимопроникновения верхней части земной коры (4…5 км), гидросферы и нижней части атмосферы (до 20 км), и сформировавшийся под воздействием солнечной энергии и органической жизни. Магнитосфера – область околопланетного пространства, свойства которого определяются магнитными полем планеты и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. Литосфера (от греч. λίθος – камень) – твердая оболочка Земли, включающая земную кору и твердую часть верхней мантии. К верхней части литосферы относится почвенный покров Земли – педосфера (от лат. pedis – стопа). Недра Земли – это часть литосферы, доступная для добычи полезных ископаемых. Данные о составе литосферы получены для зон вблизи земной поверхности – глубина скважин, пробуренных для геологоразведки или нефтедобычи, не превышала 10 км. Предельная глубина (12 262 м, работы велись с 1970 по 1990 г.) была достигнута при бурении Кольской сверхглубокой скважины, созданной для исследования строения литосферы. В 2007 г. в Тихом океане (юго-восточнее острова Хонсю) начаты работы по бурению океанической коры на глубину около 8 км для изучения мантии. Биосфера (от греч. b – жизнь) – это область, для которой состав, структура и энергетические процессы определяются деятельностью живых организмов. Верхней границей распространения жизни на Земле считается озоновый слой атмосферы (примерно до 25 км), задерживающий губительное коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. Гидросфера полностью входит в состав биосферы. В литосфере живые организмы находят обычно на глубине 1…2 метра, однако считается, что нижняя граница биосферы расположена на глубине 2…8 км, где температура достигает значений, при которых происходит денатурация белков или кипение воды. Суммарная биомасса живых организмов оценивается в 1,8…4,4·1012 тонн. В биосфере можно выделить антропосферу – области Земли и ближайшего космоса, которые являются районами обитания человечества или видоизменяются под его влиянием. Согласно В.И. Вернадскому, "в биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе... Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного" 1. В.И. Вернадский разрабатывал представления о ноосфере (от греч. νόος – разум) – области взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития. Ученый полагал, что формируя ноосферу человечество от стихийного преобразования лика планеты должно перейти к сознательной деятельности, включающей в себя ответственность за судьбу биосферы. Техносфера – часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в технические и техногенные объекты с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств в целях соответствия социально-экономическим потребностям человека. К техносфере относят производственные системы и продукты производства (машины, строительные детали, одежда, книги и т.п.), сырье и топливо (уголь, нефть, газ и др.), техногенные рельефы (терриконы, насыпи, плотины, искусственные острова и др.), биомасса культивируемых растений и животных. Можно также выделить агросферу – часть биосферы, вовлеченная в сельскохозяйственное использование (пашни, кормовые угодья и т.д.). 1.1. Земная кора Земная кора — это внешняя твёрдая оболочка Земли. Снизу она ограничена поверхностью Мохоровичича, на которой происходит резкий скачок скорости распространения продольных сейсмических волн (от 7 до 8 км/с). Земля обладает корой двух типов (см. рис. 1.1). Континентальная кора имеет толщину 35…45 км под равнинами и до 75 км под горными поясами. В ее строении можно выделить три слоя: осадочный (прерывистый слой толщиной 0…20 км); верхняя кора (образованная в основном гранитами и гнейсами, толщиной 15…25 км); нижняя кора (предположительно образованная базальтами, толщиной 12…35 км). Океаническая кора состоит главным образом из базальтов и имеет небольшой верхний осадочный слой. Она непрерывно образуется в срединно-океанических хребтах из застывающей магмы, которая поступает из мантии в зонах раздвижения литосферных плит. После того как «новая» кора сформировалась, её толщина составляет примерно 7 км и в дальнейшем увеличивается только за счет осадочного слоя. Океаническая кора постоянно распространяется в стороны от срединно-океанического хребта. Существуют зоны субдукции, в которых участок «старой» океанической коры пододвигаются под участок океанической или континентальной коры и погружается обратно в мантию. В связи с этими процессами океаническую кору можно назвать сравнительно молодой – самые древние ее участки образовались около 160 млн. лет назад, в то время как верхняя континентальная кора имеет возраст до 3…4 млрд. лет.  Рис. 1.1. Схема строения земной коры Химический состав земной коры изучен по результатам бурения. У.Ф. Кларк обобщил результаты химического анализа тысяч образцов минералов и горных пород из скважин США и пришел к выводу, что средний элементный состав верхней коры (без осадочных пород) близок к граниту. Интересно, что более 99 массовых процентов (масс%) приходится всего на 15 химических элементов (см. табл. 1.2). Высокое содержание кислорода в горных породах связано с образованием им нелетучих соединений со многими элементами даже при высоких температурах. Таблица 1.2 Содержание элементов земной коры
В память об ученом среднее содержание элемента в коре предложили называть кларковым числом или кларком. Различают кларки массовые (в масс %, в г/т или в г/г) и атомные (в % от числа атомов); также можно говорить о кларках элемента в метеоритах, звездах, космосе, гидросфере, атмосфере, биосфере (однако в последнее время термин редко используется). Элементы с кларками выше 0,1 масс% называют главными, с кларками порядка 0,01 масс % и ниже – редкими. Редкие элементы могут встречаться в концентрированном виде (например, обнаружены месторождения Li, Cs, Be, La, Mo, W, Ir, Os, Pt, U, Th, Pb, Hg и др.) или же присутствовать только как примеси в минералах более распространенных элементов – в последнем случае их называют редкими рассеянными элементами (Rb, Sc, Ga, In, Tl, Hf, Ge, Se, Те, Re, Cd, Br, I и др.). Факт существования частей планеты, более тяжелых, чем кора, был просчитан на основе астрономических данных о размерах и массе Земли. Средняя плотность Земли равна 5,5 г/см3 , однако плотность коры составляет всего 2,5-2,8 г/см3. Следовательно, более глубокие слои должны иметь большую плотность; для мантии она оценивается в 3,5 г/см3, для ядра более 8 г/см3. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Фгбоу впо «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» Правила приема в Государственный университет – Высшую школу экономики в 2010 году | | Санкт-Петербургский государственный морской технический университет... Рецензия на книгу: С. А. Остроумов "Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод: элементы теории и приложения" (Москва,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, Факультет Иностранных Языков | | Исследование и разработка моделей для организации и управления виртуальными предприятиями Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический... |
 | Психическое здоровье в Германии и России: Клиническая и исследовательская инициатива Санкт-Петербургский научно-исследовательский Санкт-Петербургский государственный университет | | Выходные данные: Диссертация на соискание ученой степени магистра.... Министерство обазования и науки Российской федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический университет |
| Санкт-Петербургский центр научно-технической информации «Прогресс»,... Особенности размещения государственного заказа в связи с изменениями в федеральном | | Национальное Общество Имитационного Моделирования Санкт-Петербургский... Современные среды визуального моделирования являются базисом таких технологий и используются в научных исследованиях, промышленном... |
| Основная образовательная программа (ооп) бакалавриата, реализуемая... «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им проф. М. А. Бонч-Бруевича» (СПбгут) по направлению подготовки... | | Основная образовательная программа (ооп) бакалавриата, реализуемая... «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им проф. М. А. Бонч-Бруевича» (СПбгут) по направлению подготовки... |
| Национальное Общество Имитационного Моделирования Санкт-Петербургский... Цель освоения дисциплины «Теория измерений в социологии» формирование у студентов навыков практического использования наиболее эффективных... | | Санкт-петербургский государственный политехнический университет «Основы экологии и охраны природы» для специальности 040500 -фармация, подготовленной в соответствии с государственным образовательным... |
| Санкт Петербургский государственный университет информационных технологий... Санкт Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики | | «Санкт-Петербургский государственный университет» (СПбГУ) Исторический факультет утверждаю Краснодарский государственный историко-археологический музей-заповедник им. Е. Д. Фелицына |
| Правительство Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный университет | | «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет... |
