Санкт-петербургский государственный политехнический университет
Скачать 1.88 Mb.
|
5.4.4. Смог лондонского типа В Лондоне часто наблюдается туман, однако образование смога Лондонского типа связано не только с этим природным аэрозолем, но и с участием техногенных примесей воздуха. Причиной возникновения смога Лондонского типа служит сжигание угля или мазута. При высокой влажности атмосферы образуется густой туман с примесью частиц сажи и диоксида серы, который на поверхности влажных частиц превращаются в серную кислоту. Название этого типа смога произошло от события в Лондоне 5–9 декабря 1952 года, от которого умерло 4000 человек (еще 8000 умерло в последующие дни и месяцы) – преимущественно младенцы, старики и люди, подверженные легочным заболеваниям. Трагедия произошла в результате совпадения нескольких факторов. Резкое похолодание заставило горожан расходовать для отопления больше угля, чем обычно; был завершен процесс замены городского электротранспорта (трамваи) на автобусы с дизельным двигателем; из-за температурной инверсии удаление продуктов сгорания было затруднено. Смог был таким густым, что видимость была мене 500 метров, а в отдельные часы – менее 50 метров. Концентрация частиц размером менее 10 мкм достигла 14мг/м3 (в 56 раз выше обычного тогдашнего уровня), концентрация диоксида серы – 0,7 ppm, что превышало обычные для того времени уровни в 56 и 7 раз, соответственно; концентрация полиароматических углеводородов достигла 3300нг/м3. По оценкам, в воздух каждый день поступало 1000 т дымовых частиц, 140 т соляной кислоты, 145 тонн фторсодержащих соединений и 370 т диоксида серы, которые превратились в 800 т серной кислоты. 5.4.5. Кислотные дожди Даже вдали от источников антропогенных загрязнений дождевая вода имеет рН < 7 благодаря наличию в атмосфере природных компонентов, влияющих на содержание в ней ионов водорода (см. рис. 5.4).  Рис. 5.4. Компоненты, влияющие на рН в капле дождя Углекислый газ поступает в капли воды, где превращается в нестойкую угольную кислоту Н2СО3, диссоциирующую на ионы. В соответствии с законом Генри растворимость компонента в воде прямо пропорциональная парциальному давлению его в газовой фазе, так что можно записать  ,где  – концентрация растворенной в воде угольной кислоты,  – константа Генри, зависящая от температуры,  – парциальное давление углекислого газа в атмосфере. При диссоциации угольной кислоты выделяются ионы Н+: Н2СО3 ↔ НСО3− + Н+ ; НСО3− ↔ СО32− + Н+ . Их концентрация определяется константами диссоциации кислоты по обеим ступеням и общей концентрацией угольной кислоты. Расчетная концентрация ионов Н+ в каплях при содержании СО2 в атмосфере 340 ppm и температуре 20 ºС составляет 2,3∙10−6 ион/л, чему соответствует рН = –lg(2,3∙10−6) = 5,58. Таким образом, естественный рН дождевой воды соответствует кислой среде. Для более точных расчетов нужно дополнительно учитывать концентрацию других растворенных в воде примесей. Реконструированная величина рН проб дождевой воды, отобранных в Европе в довоенное время, составляет в среднем 5,5. Сейчас в Западной и Центральной Европе обычны дожди с рН < 5, причем до 65% их кислотности определяется содержанием серной кислоты и до 35% – содержанием азотной кислоты. Вклад в кислотность осадков может вносить и соляная кислота, образующаяся в результате освобождения атомарного хлора с поверхности моря. Результаты действия кислотных дождей хорошо заметны в некоторых регионах Европы и Америки. Так, в Норвегии до конца 1940 х годов не было озер с рН воды менее 5, но к началу 1980-х такие значения имели более 30% озер южной части страны. Столь значительное изменение состава воды вызвано тем, что тонкий слой кислых лесных почв и подстилающие породы (граниты) неспособны к нейтрализации поступающих из атмосферы кислот. Большое количество кислот поступает в водотоки и озера северных стран как с кислотными дождями, так и при таянии снега (первые порции талой воды могут иметь рН < 3 и вызывают рН-шок, приводящий к массовой гибели рыб). Негативное действие закисления среды может быть как прямым, так и опосредованным. Примеры прямого действия – это рН шок у рыб, нарушения процессов накопления кальция для построения раковин моллюсков. Опосредованное действие заключается в том, что закисление способствует переходу алюминия и тяжелых металлов в растворенные формы, что способствует их вымыванию из пород, почв и донных отложений. Изменение химического состава почв приводит к изменение видового состава микроорганизмов и нарушению отлаженных взаимосвязей в почвенной биоте. Механизм вредного воздействия кислотных осаждений на растительность различается в зоне, непосредственно примыкающей к источнику выброса (импактной зоне) и в «относительно чистых» районах, удаленных от источника загрязнения. В импактных зонах часто наблюдается полная гибель растительности в результате прямого действия газообразных компонентов и первичных аэрозолей. В «относительно чистых» районах наблюдается картина постепенной (в течение десятилетий) деградации растительных сообществ в результате косвенного действия кислотных осаждений и других атмосферных токсикантов. 5.4.6. Ассимиляция сульфата Сульфат используют почти все растения и микроорганизмы в качестве источника серы. В клетках с затратами энергии происходит поэтапное восстановление сульфатов SO4 2– до сульфидов S2–. Последние используется только на нужды организма (включается в реакции образования серусодержащих аминокислот) и в окружающую среду не выделяется. При деградации серусодержащих органических соединений в процессе жизнедеятельности бактерий, растений и животных происходит их окисление до сульфатов, однако возможно и выделение других продуктов (см. выше подраздел 5.4.1). В результате гниения органических остатков выделяется сероводород H2S и меркаптаны (последние также окисляются на воздухе с выделением H2S). 5.4.7. Восстановление сульфата и другие процессы Большая часть сероводорода в природе образуется в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий, обитающих в анаэробных условиях (в океане и на континентах). Суммарное уравнение процесса восстановления сульфата (его еще называют сульфатным дыханием) выглядит так: SO4 2− + 8[H] → H2S + 2 H2O + 2OH−. В результате процесса бактерии запасают энергию. Источниками [Н] служат низкомолекулярные соединения, образовавшиеся при анаэробном разложении биомассы – молочная, пропионовая, уксусная, муравьиная кислоты, этанол, высшие жирные кислоты и молекулярный водород. Деятельность сульфатредуцирующих бактерий особенно заметна в иле на дне прудов и ручьев, в болотах и вдоль морского побережья. Ее признаки – запах сероводорода и черный как смоль ил, цвет которого обусловлен присутствием FeS. Некоторые береговые области становятся безжизненными из-за токсического действия H2S. Большие количества H2S накапливаются в верхних слоях морских донных отложений и в некоторых случаях – в придонных водах морей (например в Черном море глубже 200м), отличающихся высокой биологической продуктивностью и слабой циркуляцией. Благодаря сульфатредуцирующим бактериям возможна анаэробная коррозия железных труб. Во влажной среде происходит ионизация железа: Fe + 2H+ → Fe2+ + H2. Пленка молекулярного водорода должна предохранять металл от дальнейшего разрушения, однако в присутствии сульфатредуцирующих бактерий и при наличии сульфата в среде идут реакции 4H2 + SO4 2− → H2S + 2H2O + 2OH− ; 4Fe2+ + H2S + 2OH− + 4H2O → FeS + 3Fe(OH)2 + 6H+. Известно, что некоторые микроорганизмы (в том числе дрожжи) способны осуществлять восстановление серы (серное дыхание): S + 2[H] → H2S. Особенно важен этот процесс для уникальных бактерий, обитающих в гидротермальных источниках (температура среды 45…100ºС). Для них источником S является элементарная сера вулканического происхождения. 5.4.8. Окисление сероводорода и другие процессы Способностью получать энергию за счет окисления соединений серы обладают разнообразные тиобациллы, обитающие в аэробных и анаэробных условиях. Они осуществляют различные реакции: S2− + 2O2 → SO4 2−, S0 + H2O + 1,5O2 → SO4 2− + 2H+, S2O32− (тиосульфат-ион) + H2O + 2O2 → 2SO4 2− + 2H+. Например, Thiobacillus thiooxidans образует большие количества серной кислоты и хорошо переносит кислую среду (клетки сохраняют жизнеспособность в 0,5М растворе H2SO4). Такая способность к используется для подкисления известковых почв путем внесения элементарной серы – почвенный карбонат кальция (нерастворимый) переходит в сульфат, который вымывается из почвы. Некоторые тиобациллы окисляют не только серу, но и металлы. Совместно с другими бактериями их используют для получения металлов, превращая рудные сульфиды (пирит FeS2, халькозин Cu2S, CuS, ZnS, NiS, MoS2, Sb2S3, CoS, PbS) в сульфаты. Хемолитоавтотрофные бактерии, окисляющие сероводород, являются основой для бессветовой экосистемы в океанских глубинах. Они обитают вблизи выходов подземных горячих источников, в водах которых растворено большое количество минеральных веществ, в том числе H2S. Эта вода соприкасается с опускающейся сверху холодной водой, насыщенной растворенным кислородом. В таких условиях развиваются хемолитоавтотрофные бактерии, которым не нужен свет (фотосинтез у них отсутствует). В качестве источника углерода они используют СО2, а энергию получают за счет окисления H2S или S до сульфатов или серной кислоты: H2S + 2O2 → SO4 2−, S + H2O + 1,5O2 → SO4 2− + 2H+. Хемолитоавтотрофные бактерии являются первым звеном (продуцентами) глубоководной экосистемы – ими питаются моллюски, ракообразные, черви. Интересно отметить, что эти бактерии могут существовать как симбионты животных – обитать на жабрах червей и моллюсков, в кишечнике червей. Фототрофные бактерии (пурпурные и зеленые бактерии) расходуют сероводород на аноксигенный фотосинтез: 2H2S + СО2 + hν → [CH2O] + 2S + H2O ; H2S + 2СО2 + 2H2O + hν → 2[CH2O] + Н2SO4 . Некоторые из таких бактерий накапливают серу в цитоплазме клетки или вне ее – она является промежуточным или конечным продуктом процесса. Большинство месторождений серы имеет невулканическое происхождение и возможно, что они содержат отложения биогенной серы прошлых геологических эпох. Фототрофные бактерии, окисляющие сероводород, обитают в анаэробных зонах пресных водоемов и морей в условиях доступа света. Они являются частью «микробного фильтра», который не позволяет сероводороду поступает в атмосферу. 5.4.9. Окислительный бактериальный фильтр Окисление восстановленных газов и летучих органических веществ, продуцируемых анаэробными микроорганизмами или происходящих из геосферных источников (углеводороды над нефтегазовыми месторождениями), осуществляется аэробными бактериями «окислительного фильтра» (с участием О2). Это различные бактерии, обитающей водных объектах, донных отложениях, почве; они окисляют водород, СО (с усвоением СО2), сероводород, метан, неметановые летучие углеводороды. Если транспорт газов происходит в виде пузырьков (выделение метана на болотах), то микроорганизмы не успевают его окислить, и газ проскакивает в атмосферу. Если поток диффузионный, то обычно бактериальный фильтр развивается до такой степени, что полностью перехватывает поток газов. Для диффузионного потока из донных отложений озер достаточно слоя 10 м (окисление метана). В почве для окисления дурно пахнущих продуктов необходимо более 1 м рыхлого грунта, что подтверждено кладбищенской практикой. Задание для самоконтроля 5.4 1. Изобразите схематически глобальный цикл элемента серы, обозначьте в нем процессы превращения серусодержащих соединений, пулы и потоки серы. 2. Проанализируйте, какие процессы приводят к накоплению элемента серы в различных резервуарах. Приведите примеры таких природных и антропогенных процессов и их результаты. 3. Приведите примеры процессов превращения одних соединений серы в другие, применяющиеся в хозяйственной деятельности человека. 4. Приведите примеры негативного воздействия соединений серы на человека и окружающую среду. 5. Дайте характеристику атмосферных аэрозолей, опишите механизмы их образования. 5.5. Циклы фосфора и кремния Геохимические циклы кремния, фосфора, а также калия, натрия, кальция и тяжелых металлов имеют общие черты (циклы тяжелых металлов будут рассмотрены в подразделе 5.6.). Эти циклы поддерживаются поступлением вещества из одного источника: земной коры или, точнее, из ее гранитной части. За последние 600 млн. лет из гранитного слоя земной коры было извлечено калия 16%, кремния и фосфора — около 17% каждого, натрия — 19%. Кроме того, основные миграционные потоки этих элементов связаны с континентальным стоком и биологическим круговоротом. Атмосферная миграция этих элементов более ограничена по сравнению с атмосферной миграцией элементов, поступающими в географическую оболочку в результате дегазации мантии (C, N, S, Cl). Рассматриваемые элементы интенсивно аккумулируются в осадках Мирового океана. В осадочной толще земной коры аккумулировано 99% массы кремния, фосфора, кальция, 98% массы калия, более 60% натрия, что свидетельствует о сильной незамкнутости годовых миграционных циклов этих элементов. Цикличность в их перемещении может быть заметна лишь в масштабах геологического времени – миллионов и десятков миллионов лет. В активную миграцию они включаются после прохождения осадками стадий диагенеза, метаморфизма и выноса на поверхность. Наряду с общими чертами обнаруживаются специфические особенности каждого элемента, которые хорошо заметны при сравнении распределения их масс в географической оболочке Земли (табл. 5.4). Таблица 5.4 Распределение масс химических элементов, поступивших из земной коры континентов за последние 600…700 млн. лет
Столь же неодинаково относительное распределение масс рассматриваемых элементов в Мировом океане: в нем находится около 40% массы натрия, немногим более 1% калия, около 0,01% фосфора и менее 0,001% кремния. Вне зависимости от этого, наибольшие массы, участвующие в биологическом круговороте на суше, принадлежат кальцию, в океане — фосфору и натрию. Вовлечение масс калия и кремния в биологический круговорот континентов и океана различается слабо. Элементы, для которых в океане растворено более 0,1% от всего их количества в географической оболочке Земли, активно участвуют в годовом массообмене между океаном и атмосферой, мигрируют от океана на сушу, частично восполняя годовой вынос элементов с континентальным стоком. Таковы натрий и кальций, для которых в Мировом океане находятся соответственно 35% и 2% от их массы в географической оболочке. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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... |
