Санкт-петербургский государственный политехнический университет
Скачать 1.88 Mb.
|
| Часть органических веществ окисляется при пожарах, что требует 11 ГтО2/год. В целом с учетом образования и потребления кислорода биота суши выделяет около 3 ГтО2/год. Вклад человека в круговорот О2 в результате хозяйственной деятельности суммируется из сжигания ископаемого топлива и влияния на землепользование. На сжигание нефти, газа, угля затрачивается 20,8 ГтО2/год (по данным 1999 г.), причем распределение этого расхода по странам весьма неравномерно. Так, на США приходится 25% мирового потребления, Европейские страны (кроме России) – 21%, Китай – 11%, Россию – 7,5%, страны Африки (кроме Северной Африки) – 1,6%. По среднедушевому расходу (т на человека в год) лидируют США и Канада (20 и 18 т), на третьем месте Россия (12 т, что связано с высокой энергоемкостью внутреннего валового продукта, а также холодными климатическими условиями); в Японии и европейских странах потребляют 9…11 т, в африканских странах 0,5 т. При сведении лесов, сельскохозяйственной обработке почвы, осушении болот и т.д. происходит окисление биомассы и органического вещества почвы (разложение растительных остатков, минерализация почвенного гумуса, пожары, палы на сельскохозяйственных землях). На это расходуется 4,5 ГтО2/год, учитываемые по статье расходов кислорода биотой суши. Количество О2 , растворенного в мировом океане, оценивается в 7,5∙1012 т (около 0,6% от содержания в атмосфере). Его концентрация в поверхностных водах составляет обычно 2...8 мг/л и зависит от скорости физических и химических процессов – газообмена между океаном и атмосферой, переноса кислорода водными массами, интенсивности процессов фотосинтеза и потребления кислорода. Обмен кислородом между атмосферой и гидросферой основан на уменьшении его растворимости при повышении температуры воды. Холодные воды приполярных районов поглощают кислород, а теплые тропические воды отдают его в атмосферу. В такой обмен вовлечено около 4480 Гт О2/год (по данным 1993 г), причем потоки растворения и выделения считались практически равными. Однако в связи с глобальным потеплением средняя температура океана повысилась, так что в 1990-2000 гг. запасы растворенного в морской воде кислорода уменьшались на 1 Гт/год. В поверхностных водах до глубин распространения дневного солнечного света (фотическая зона, в океане на глубине до 200м) фитопланктон осуществляет фотосинтез, при котором выделяется 288 Гт О2/год. Следует отметить, что биомасса океанического фитопланктона на несколько порядков меньше биомассы растений на суше (см. подраздел 1.2.2), однако за счет высокой скорости продукции фитопланктона количество фотосинтетического кислорода, образующегося в океанах, сопоставимо с континентальным Суммарное дыхание автотрофов (водорослей) и гетеротрофов (животных, микроорганизмов) фотической зоны приводит к поглощению 258 Гт О2. Часть органического вещества, образуемого в этой зоне, осаждается в глубинные воды (детритный дождь) и разлагается гетеротрофами. На их дыхание ежегодно расходуется 30 Гт кислорода, транспортирующегося из поверхностных слоев воды. Таким образом, годичные потоки кислорода в океане хорошо сбалансированы. Таким образом, в атмосферу выделяется ежегодно 3 Гт О2 от наземной биоты и 1 ГтО2 из океана. Это компенсирует только 13% антропогенного потребления кислорода, связанного с сжиганием топлива. Таким образом, общий баланс кислорода – отрицательный, в отличие от ситуации, имевшей место миллионы лет назад, когда происходило формирования кислородной атмосферы и биосферы современного типа. В настоящее время идет снижение запасов атмосферного кислорода (на 14…20 Гт/год). Но в относительном выражении это снижение незначительно и составляет 0,0019% от его запаса в атмосфере. При нынешних темпах потребления человечеству нужно более 600 лет, чтобы уменьшить содержание О2 в атмосфере на 1%. Даже при полном исчерпании запасов ископаемого топлива (по различным оценкам его количество составляет до 24300 Гт КЭ) их атмосферы будет израсходовано не более 2% кислорода. Следует отметить, что в процессе формирования кислородной атмосферы на Земле произошло захоронение 32…42млн Гт КЭ органического вещества, которое рассредоточено в осадочных породах и практически недоступно для возвращение в круговорот. Именно недоступность углерода органического вещества осадочных пород и объясняет столь малую потенциальную возможность человечества влиять на содержание кислорода атмосферы. В заключение подраздела следует отметить, что данные по крупным потокам, источникам и стокам различаются у разных исследователей и постоянно уточняются. Выше были приведены данные из обзорной работы Д.Г. Замолодчикова (2006 г.)3, где среди прочего автор указал, что Россия не является глобальным донором кислорода. Однако в книге 2007 г., написанной при участии того же автора4, сделан прямо противоположный вывод. 5.1.3. Озон в стратосфере Концентрация озона в стратосфере не превышает десяти ppm, причем наименьшие значения наблюдаются над экватором. Максимумы содержания озона наблюдаются на 65…75º с.ш. и 60…65º ю.ш., причем в Северном полушарии содержится больше стратосферного озона, чем в Южном. В вертикальном направлении наибольшие концентрации О3 приходятся на высоту 15…40 км с максимумами на 24…27 км над экватором и на 13…15 км над полярными областями обоих полушарий. Общее содержание озона в столбе атмосферного воздуха составляет от 200 до 600 единицах Добсона. Одна единица Добсона соответствует количеству чистого озона, занимающему слой в 10 мкм высотой при давлении 1 атм. и температуре 0 ºС. Образуется О3 преимущественно в верхней стратосфере экваториальных областей, но в ней же он быстро разрушается (время жизни молекулы 3 часа). В нижней стратосфере, куда озон попадает со слабыми нисходящими потоками, время его жизни гораздо больше; озон переносится воздушными массами на большие расстояния. Максимальное время жизни молекулы О3 (около 100 суток) характерно для стратосферы полярных районов. Цикл Чепмена (1930 г.) описывает пять реакций образования и распада стратосферного озона под действием УФ-излучения. О2 + h→ 2O = 175…242 нм О + О2 + М→ O3 + М* О3 + h→ О2 + O <310 нм О3 + О→ 2O2 + 392 кДж О + О + М → О2 + М*, где h – квант изучения, М – молекула О2 или N2, которая принимает на себя избыток колебательной энергии и переходит в возбужденное состояние М*. Взаимодействие излучения с О2 идет по всей атмосфере начиная с мезосферы, продолжая в стратосфере и верхней тропосфере. Скорость реакций образования О3 в цикле Чепмена слабо зависит от температуры, а скорость реакций разложения – довольно существенно. Теоретические расчеты на основании уточненных констант скоростей реакций (в начале 1960-х годов) показали, что в цикле Чепмена озон должен скорее образовываться, чем разрушаться. Измеренные в стратосфере концентрации О3 оказались ниже теоретически ожидаемых. Впоследствии был выявлен ряд реакций разрушения озона с участием молекул и радикальных частиц, выполняющих роль катализаторов распада. Рассмотрим некоторые из этих реакций. В реакциях водородного цикла участвуют атомарный водород и гидроксильный радикал. Образование радикалов происходит по следующим реакциям: H2O + h = H∙ + OH∙, Н∙ + О2 + М = НО2∙ + M, О + Н2О + O = 2ОН∙, Н + Н2О = Н2 +НО∙, ОН∙ + О = Н + O2, СН4 + О = ∙СН3 + НО∙. Разрушение О3 и атомарного О с участием этих радикалов происходит по следующим реакциям: Н∙ + O3 = ∙ОН + O2, ∙ОН + O3 = НО2∙ + O2, НО2∙ + О = ∙ОН + О2. Взаимодействуя друг с другом, радикалы гибнут, образуя Н2О, Н2О2 и О2, однако один радикал успевает разрушить от 15 до 110 молекул О3. Наибольшая концентрация НО∙ (2,4∙107 см–3) наблюдается на высоте 40 км. В реакциях азотного цикла участвуют оксиды азота: NO2 + O = NO + O2, NO + O3 = NO2 + O2, NO2 + O3 = NO3∙ + O2, NO3∙ + h = NO + O2. Таким образом разрушается до 80% озона. Исследование этих реакций проводилось для изучения влияния сверхзвуковых самолетов и космической техники на озоновый слой. Реакции с участием радикалов галогенов Х· происходят по следующему механизму Х· + O3 = ХО· + О2, ХО· + О· = Х· + О2. Было показано, что в качестве радикала Х· выступают Cl· (хлорный цикл), Br· (бромный цикл), F·. Существуют природные (хлористый и бромистый метил) и техногенные (фреоны, галоны и др.) предшественники этих радикалов, о которых будет рассказано в подразделе, посвященном циклу хлора (см. подраздел 5.8.4). О проблемах, связанных с истощением озонового слоя, будет рассказано там же. 5.1.4. Озон в тропосфере Небольшая часть образовавшегося в стратосфере озона попадает в тропосферу с нисходящими потоками воздуха через разрывы и складки тропопаузы (главным образом в средних и высоких широтах). Впоследствии озон разрушается, взаимодействуя с подстилающей поверхностью (на листьях растений, влажной почве, поверхности океана и др.). В чистом воздухе концентрация озона в летние месяцы на средних широтах не превышает 40…80 мкг/м3. Повышенная концентрация озона техногенного происхождения наблюдается над городами (400 мкг/м3 и более). Для растений вредной считается концентрация озона от 80 мкг/м3. Для человека среднесуточная ПДК озона – 30 мкг/м3, разовая – 160 мкг/м3. Раздражение слизистых оболочек носа, горла, глаз наблюдается при 100 мкг/м3, при более высоких концентрациях – раздражение дыхательных путей, кашель, тяжесть в груди, головные боли, сильная усталость и др. Образование тропосферного озона происходит в две стадии при участии оксидов азота, которые образуются в результате сжигания топлива (транспорт, промышленные предприятия): NO2 + h = NO + O, O + O2 + M = O3 + M*. Разрушение тропосферного озона происходит преимущественно по реакции O3 + NO = NO2 + O2. Ускорение конверсии NO в NO2 при участии компонентов, отличных от O3, увеличивает скорость образования озона в тропосфере. 5.1.5. Фотохимический смог Под действием солнечного света, чаще при температурных инверсиях и низкой влажности воздуха в воздухе городов создаются условия для формирования фотохимического смога (смога Лос-Анжелесского типа). Его внешним признаком является голубоватая дымка аэрозолей, вызывающая ухудшение видимости. Озон и фотооксиданты, образовавшиеся в воздухе, вызывают сильное раздражение глаз и дыхательных путей. Концентрация озона в области фотохимического смога резко возрастает из-за действия СО, поступающего из выхлопных газов автомобилей, так как СО (даже в количестве менее 5 ppt) резко ускоряет конверсию NO в NO2. В воздухе, не содержащем никаких примесей кроме водяного пара, CO и NO, возникает разветвленная цепь реакций, приводящих к образованию в итоге азотистой кислоты HNO2, азотной кислоты HNO3, озона О3, пероксида водорода Н2О2, гидропероксидного радикала НО2∙. Несгоревшие углеводороды выхлопных газов (R−CH3) также вступают в различные фотохимические реакции с образованием НО2∙, Н2О2, альдегидов R−CHO, углеводородного радикала R∙ или пероксидного радикала RО2∙. Последний реагирует с углеводородами с образованием спиртов ROH, карбонильных соединений R−O−O−R и др.. Токсичными продуктами смога также являются пероксинитраты. Наиболее изучены ацетилпероксинитрат (R = CH3, в смоге до 50 ppb), бензоилпероксинитрат (R = C5H6), обладающие также слезоточивым действием: R−CH3 + О2 = R−CHO + H2O R−CHO + О2 + NO2 = H2O + R−CO−О−O−NO2. Задание для самоконтроля 5. 1 1. Составьте схему, описывающую глобальный цикл кислорода. 2. Опишите процессы образования тропосферного и стратосферного озона. Укажите, к каким последствиям они приводят и какие факторы влияют на формировании и разрушении озона в тропосфере и стратосфере. 5.2. Гидрологический цикл и цикл водорода 5.2.1. Гидрологический цикл Значительная часть кислорода и водорода задействована в гидрологическом цикле (круговороте воды), причиной которого являются солнечная энергия и сила тяжести. Общее количество воды на Земле можно считать постоянным (около 1,388 млрд. км3). Поступление воды с метеоритами и космической пылью (в виде льда) оценивается в 0,5 км3/год, потери при рассеивании паров воды в космос 0,5 км3/год, выделяется при дегазации мантии 0,5…1 км3/год. Между водными массами Земли происходит обмен (см. рис. 5.1). Атмосфера содержит такое количество воды (пары, капли, кристаллики), которое способно покрыть Землю слоем в 25 мм; между тем среднеглобальное годовое количество осадков составляет 920 мм. Таким образом, возраст атмосферной молекулы Н2О составляет около 10 суток. Для вод суши оценивают возраст ориентировочно с помощью гидрологических методик. Для байкальской воды он достигает 400 лет, для ледников Антарктиды – 500 тысяч лет, подземных рассолов – сотен миллионов лет. Таблица 5.1 Запасы воды (тыс. км3) на Земле
 Рис. 5.1. Схема единства вод Земли: 1 – свободные воды океана; 2 – осадочные породы коры; 3 – кристаллические породы коры; 4 – магматический очаг; 5 – породы мантии 5.2.2. Цикл водорода Водород играет важную роль в биологических и геохимических процессах. В биоте Земли содержится около 6,5∙103 Гт этого элемента в органических молекулах и примерно столько же – в составе рыхло связанной воды. Геохимическая роль Н обуславливается ионами гидроксония Н3О+: большие количества этого катиона поглощаются при образовании гипергенных глинистых силикатов. По современным оценкам на континентах в эти процессы ежегодно вовлекается до 2,5 Гт воды. Высвобождающиеся анионы гидроксила ОН– связываются главным образом с СО2, образуя гидрокарбонатные ионы НСО3–, включающиеся в водную миграцию. Большие количества Н2 поступают в атмосферу в составе вулканических газов и поствулканических эксгаляций. Тем не менее в атмосфере присутствует только лишь 0,2 Гт Н2, поскольку этот легкий газ постепенно рассеивается в околоземном пространстве. Значительные количества водорода, образуются при анаэробном разложении микробами (бактериями, сине-зелеными водорослями) мертвого органического вещества в несколько стадий до ацетата, СО2 и Н2. Однако этот водород не поступает в атмосферу: он практически полностью перехватывается другими микроорганизмами. Метанообразующие бактерии используют Н2 (или формиат, метанол, ацетат, образующиеся при брожении) для восстановления СО2 с образованием СН4. Метаногенные бактерии участвуют в разложении осадков сточных вод и органических отходов. При этом наряду с получением биогаза (потенциального топлива, содержащего до 60% метана) в осадках после разложения сохраняются биогенные элементы, так что возможно их использование в качестве удобрения. Особая группа микроорганизмов – водородные бактерии, открытые в начале ХХ века – даже могут использовать реакцию 2Н2+О2 = 2Н2О для получения энергии (некоторые обитают в термальных источниках и для образования органического вещества используют СО2). |
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... |
