Программа курса "Охрана окружающей среды"
Скачать 489.6 Kb.
|
ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ Атмосфера - наиболее подвижная часть Биосферы, через которую осуществляется перенос вещества в форме газов, водных растворов и твердых частиц (аэрозолей); кроме того, через атмосферу поступает и излучается энергия, что в значительной степени определяет протекание крупномасштабных химических процессов в Биосфере. Поэтому состав и процессы в атмосфере играют важную роль в функционировании Биосферы в целом и отдельных экосистем. Кларковый состав современной атмосферы (сухая, на уровне поверхности, в среднем), в объемных %: N2 78.084 Ne 1.821 10-3 Rn 6 10-5 N2O 5 10-5 H2O2 4 10-8 O2 20.946 He 5.239 10-4 H2 5 10-5 Xe 8.7 10-6 Ar 0.934 CH4 1.5 10-4 CO 10-4 - 10-6 NH3 2.6 10-6 CO2 0.030 Kr 1.14 10-4 O3 10-5 - 10-6 NO2 2.6 10-6 - 5 10-8 Несмотря на то, что основную часть атмосферы составляют всего три газа, а остальные представлены как примеси, именно малые составляющие играют важную роль в фотохимических реакциях, регулирующих радиационный баланс Земли, спектральные характеристики излучения, поступающего на поверхность и излучаемого в космос. Основные типы фотохимических реакций Ионизация: N2 + 25.0 eV N + N+ + e- = 49.5 nm H = 1001200 km О2 + 19.0 eV O + O+ + e- = 65.0 nm 102.7 nm N + 14.6 eV N+ + e- = 85.3 nm Диссоциация СН4 + 8.6 eV CH22- + 2Н+ = 145 nm H= 70120 km H2O + 7.2 eV H+ + OH- = 175 nm 102.7 242.4 nm Образование радикалов: О2 + 5.1 eV O + O* = 242.4 nm O3 + 4.6 eV O2 + O* = 288.4 nm Существование различных частиц с высокими энергиями порождает разнообразные вторичные процессы: обмена - O+ + N2 NO+ + N, переноса заряда O2++NO O2+NO+, диссоциативной рекомбинации NO+ + e- N + O. Фотохимические реакции разных типов реализуются во всем объеме атмосферы, в т.ч. за пределами Биосферы (поэтому химический состав атмосферы меняется с высотой) и служат "фильтром" коротковолнового излучения, поступающего в Биосферу, и длинноволнового (теплового) излучения Земли. Как видим, роль малых составляющих состава атмосферы чрезвычайно важна для поддержания параметров Биосферы. Отсюда - нарушение химического состава атмосферы, наиболее легко доступное именно по отношению к примесным газам, может вызвать существенные негативные эффекты. В настоящее время некоторые из них приобрели глобальный характер: "Парниковый эффект": по Кондратьеву, экранирование длинноволнового излучения Земли в атмосфере приводит к повышению температуры на поверхности Земли на 33.2о, при вкладе H2O - 20.6о, СО2 - 7.2, O3 - 2.4, N2O - 1.4, CH4 - 0.8o. Прямой выброс в атмосферу с наземных источников или двигателями ракет, самолетов в самой атмосфере этих газов или веществ, инициирующих их синтез или распад в атмосфере, как и других веществ, способных к фотохимическим превращениям в длинноволновой области, может привести к изменению средней температуры в Биосфере. "Озоновые дыры" - при малом содержании озона в атмосфере O3 играет важную роль в "отфильтровывании" коротковолнового излучения. Интенсивное разрушение озона, например, за счет каталитического действия NO или Cl по реакциям: O3 + NO NO2 + O2 O3 + Cl ClO + O2 Каждая частица NO или Cl может NO2 + O NO + O2 ClO + O Cl + O2 разрушать десятки и сотни молекул O3 O3 + O 2O2 O3 + O 2O2 может приводить к повышению потока ультрафиолетового излучения. Интересно отметить, что источником Cl на высотах 20-30 км, где концентрация озона максимальна, могут быть пары фторхлоруглеродов - химически инертных и потому считавшихся безвредными, но способных к фотохимической деструкции в верхних слоях атмосферы. Таким образом, опосредованное воздействие безвредных инертных веществ обусловлено их трансформацией в естественной природной среде, результатом которого оказывается серьезное нарушение общих параметров Биосферы. Источником NO могут быть высокотемпературные процессы сжигания топлива в двигателях ракет и самолетов, при которых становится возможным окисление молекулярного азота воздуха, а также природные пожары (торфяников, лесов и т.д.). "Кислотные дожди" - глобальная проблема, обусловленная техногенными выбросами в атмосферу газообразных веществ, способных либо непосредственно (напр, пары кислот), либо после фотохимических превращений абсорбироваться мокрыми осадками и придавать им кислую реакцию. Так, SO2 в результате фотохимических реакций превращается в SO3, а после абсорбции в каплях дождя - в серную кислоту; оксиды азота - в азотную кислоту. При дефиците нейтрализующих катионов эти кислоты остаются в свободном состоянии. Расчетное значение рН для дистиллированной воды, находящейся в равновесии с атмосферным воздухом при фоновом содержании СО2, SO2, NH3 можно оценить из их растворимости (по закону Генри) и соответствующих констант диссоциации; оно равно 5.8. В регионах с "кислотными дождями" рН достигает 4 и ниже, а в туманах бывает ниже 3. Такая кислотность обычно связана с повышенным содержанием оксидов серы, реже - азота, иногда (локально) - паров HF в атмосфере, причем из-за высокой подвижности воздушных масс может наблюдаться на значительном удалении от источника техногенных выбросов. Однако кислотные выпадения могут быть следствием дефицита катионов основного характера относительно анионов, что наблюдается в ряде удаленных от урбанизированно-промышленных зон "фоновых" регионах, в частности, в тундре, высокогорных областях. Т.о., общая причина закисления атмосферных осадков – разбаланс между катионами и анионами в их ионном составе: [H+] = ([HCO3-) + [SO42-) + [Cl-] + [NO3-] + [HCOO-] + …) - ([NH4+] + [Ca2+] + [Mg2+] + [Na+] + [K+] + …). При этом все анионы могут иметь предшественниками газы атмосферы, а в составе катионов большинство не имеет летучих форм и должны поступать из эрозионных и морских источников в виде твердых частиц. Типичные данные по суммарной минерализации W, мг/л, и долевому распределению ионов (% эквивалентов относительно суммы катионов или анионов, соответственно) для разных регионов таковы:  Минимальная минерализация осадков – на Аляске и Эвересте, причем на Аляске они слегка закислены, а на Эвересте (как и в Индии) – защелочены (избыток катионов из эрозионных источников). Максимальная минерализация осадков в фоновом регионе (Аян, побережье Охотского моря; высокая концентрация натрия и хлорида морского происхождения, низкая – сульфатов, нитратов, аммония) и в промышленном Норильске (огромная концентрация сульфатов с избытком компенсируется кальцием, в результате вместо закисления имеет место защелачивание осадков). Причина закисления осадков в Бразилии (при малой величине W) – повышенная доля нитратов, продуктов сжигания биомассы (сахарного тростника). На юге Западной Сибири (пос. Ключи, окрестности Академгородка) рН дождевых осадков ниже «нормального» значения (5,8), несмотря на высокую долю аммония, а в снежных выпадениях – близко к нормальному за счет более высокого содержания Ca, источником которого являются аэрозольные частицы, захватываемые снежинками. При малой величине щелочного резерва в почвах и поверхностных водах выпадение кислотных осадков может привести к закислению почв и водоемов, что нарушает функционирование наземных и водных экосистем. Т.о., последствия загрязнения атмосферы проявляются в других природных средах и зависят от химической трансформации и путей переноса загрязняющих веществ. Помимо газовых составляющих атмосферы для массопереноса и химических процессов значительную роль играют атмосферные аэрозоли (АА) - твердые частицы с размерами от 0.5 до 20 мкм, содержание которых достигает 50 мкг/м3; они во многом определяют оптические свойства атмосферы, и, следовательно, климат. Источники АА: газофазные реакции (образов. тв. сульфата аммония из газообразных NH3 и SO3); испарение мелких капель морской воды (морской источник); эрозия и эмиссия с наземной поверхности мелких частиц почв, пород, дорожной пыли (эрозионные источники); выбросы вулканов; пожары; техногенные выбросы. Мелкие частицы могут находиться в атмосфере длительное время и переноситься на тысячи км, тогда как более крупные оседают вблизи точки эмиссии. Их химический состав отличается ввиду различий источников и механизмов образования и трансформации в атмосфере. Выведение аэрозольных частиц на наземную поверхность может происходить как вымывание осадками (аэрозоли играют роль ядер конденсации капель из пара) или непосредственно (сухое осаждение). Интересно отметить, что в составе АА водорастворимые соли могут составлять от нескольких % в летний период до 50-70 % зимой, что связано с сезонными вариациями мощности эрозионных источников (изоляция наземной поверхности снегом препятствует эоловому выносу продуктов эрозии в атмосферу). С пространственными и сезонными вариациями действия разных источников формирования АА связано и непостоянство состава атмосферных осадков. Атмосферный перенос веществ в виде жидких осадков и аэрозольных частиц - часть вещественного обмена между разными экосистемами внутри Биосферы, играет важную роль в биогеохимических циклах элементов. Существуют оценки, согласно которым с поверхности Океана в атмосферу поступает 5.37 109, а с поверхности суши 2.16 109 т/г минеральных солей. Учитывая региональные различия в количестве осадков и направлениях их воздушного переноса, можно заключить, что вклад вещественного обмена в системе атмосфера-поверхность различается для разных экосистем, и это определяет различия в их функционировании. ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ Гидросфера - вторая по массе часть Биосферы, представлена водными растворами, взаимодействующими с атмо- и литосферой, играет значительную роль в массопереносе веществ; вода - неотъемлемый компонент живых организмов, кроме того, образует среду для водных экосистем. В Биосфере находится во всех фазовых состояниях. Природные воды генетически связаны между собой, образуют общий гидрологический цикл: испарение - осадки - речной сток. Этот цикл (577 тыс.км3/год) реализуется в Биосфере; он сопряжен с более общим геологическим циклом воды на Земле, включающим гидратацию и дегидратацию пород и перемещение вод в недрах. Массы вод в разных частях Биосферы и периодичность их возобновления: Тыс.км3 Время обновления Океан 1370000 2500 лет Ледники 35300 10000 -"- При годовой продукции сухой биомассы 2.5 1011 т и среднем Подземные воды 10530 1400 -"- содержании воды в организмах 80 %, весь объем вод Биосферы Озера 176.4 17 -"- мог бы пройти через живые организмы примерно за 1.2 млн. лет, Почвенные воды 16.5 1 -"- т.е. за ничтожно малый период существования Биосферы. Болота 11.5 5 -"- Это показывает роль биотических процессов, реализующихся в Реки 2.1 16 дней ничтожно малой по массе части Биосферы, но существенно Атмосф.воды 1.3 8 -"- интенсивнее, чем в косном мире. Вода в организмах 1.1 часы Всего: 1500000 т Физические и химические свойства воды, по сравнению с гидридами 6 группы, во многом аномальны (температуры плавления и кипения, зависимость плотности от температуры и давления, теплоемкость, диэлектрическая проницаемость, поверхностное натяжение и др.), что имеет важное значение для функционирования Биосферы. Живые организмы приспособлены к этим свойствам (сезонность вегетационного периода, капиллярный механизм питания в растениях, органы движения у гидробионтов и т.д.). Вода как растворитель (амфотерность, высокая диэл.проницаемость, ажурная структура) обладает уникальной способностью не только растворять различные классы соединений, но и дифференцировать их свойства (напр., по окислительно-восстановительным свойствам, при диссоциации слабых кислот, в т.ч. аминокислот белков). Поэтому природные воды всегда являются многокомпонентными растворами с широкими вариациями концентраций растворенных веществ и, соответственно, свойств раствора. При характеризации их химического состава выделяют растворенные газы, минерализацию (главные ионы - Na+, Ca2+, Mg2+, гидрокарбонат, сульфат, хлорид), биогенные элементы (соединения азота, фосфора, железа, кремния), микрокомпоненты, растворенные органические вещества (РОВ). Воды атмосферы насыщены ее газами, имеют высокий окислительный потенциал, относительно малую минерализацию (в фоновых регионах около 10-15 мг/л) и концентрацию микроэлементов (в Евр.части России: Fe 140, Zn 60, P 41, Ni, Mn 25, Cu,Cr 10, Hg 0,25 мкг/л), РОВ определяются летучими природными веществами. Поверхностные воды, находящиеся в контакте с атмосферой и формирующиеся из осадков, в своем составе содержат вещества, поступающие из подстилающих горных пород и почв. В зависимости от условий, минерализация и содержание микрокомпонентов могут быть значительно выше, чем в атмосферных осадках, в составе газов могут присутствовать газы восстановительной обстановки (метан, сероводород), в составе РОВ - автохтонные (образующиеся в самом водоеме) и аллохтонные (привнесенные с водосборной территории) продукты жизнедеятельности. Эти воды могут быть пресными (минерализация до 1 г/л), солоноватыми (1 - 10 г/л), солеными (10 - 50 г/л), рассолами (более 50 г/л). Почвенные воды, находящиеся в зоне активных биотических процессов, содержат больше газов биогенного происхождения, как правило, более кислые и более минерализованные, содержат значительные количества РОВ. Подземные воды зоны активного водообмена, располагающиеся над водоупорным слоем, по своему составу являются промежуточными между поверхностными и глубинными водами затрудненного водообмена, находящимися в динамическом равновесии с вмещающими породами при высоких давлениях и температурах до 350о. Минерализация последних может достигать 640 г/л, содержание газов (преимущественно CH4, H2S, CO2, N2, благородные газы) - нескольких л/л, РОВ может быть высоким и определяться веществами нефтяного ряда. Т.о., факторы, определяющие химический состав природных вод, образующих единый цикл, разнообразны. Их подразделяют на абиотические (физико-географические /рельеф, климат, выветривание, почв.покров/, геологические /состав пород, гидрогеологические условия/, физико-химические /свойства растворенных в-в, кислотно-основные, окислительно-восстановительные условия, ионный обмен/) и биотические, обусловленные процессами жизнедеятельности. Рассмотрим влияние окислительно-восстановительной обстановки. Область термодинамической устойчивости жидкой воды определяется реакциями: 1/4 O2 + H+ + e- 1/2 H2O (1) Eo = 1.229 V p = -lg[e] = po + lg[O2]1/4 + lg[H+] = 20.75 - 0.17 - рН H2O + e 1/2 H2 + OH- (2) Eo = 0 p = 0 - pH (для равновесия с H2) Диаграмма устойчивости жидкой воды в координатах ре - рН (диаграммы Пурбэ) ограничена двумя линиями, отвечающими этим равновесиям, между которыми реализуются разнообразные окислительно-восстановительные обстановки природных вод (рис. 1): р     е 20 1/4 O2 + H+ + e- Кинетическая заторможенность реакции (1) приводит к реализации другой реакции 1/2 H2O, 1/2 O2 + H+ + e- 1/2 H2O2, peo = 11.5, pe = 11.5 +1/2 lg ([O2]/[H2O2] - pH 15 - pH 1  5 и верхняя линия существования жидкой воды смещается примерно на 5 ре вниз (показана 2 пунктиром). Положение различных геохимических типов природных вод на ре - рН диаграмме: 1 - грунтовые воды; 2 – кислые термальные воды; 3 – дождевые воды; 4 – океанические воды; 10 3 5 – воды глубоких эвтрофных озер, углекислотные подз. воды; 6 – азотные термальные воды; 1 7 - болотные воды; 8 – почвенные, богатые РОВ воды, не контактирующие с атмосферой. Таким образом, в зависимости от условий нахождения природные воды характеризуются широким 5 7 5 разнообразием ок.-восст. потенциала, что, в свою очередь, определяет направленность процессов 4 превращений многих растворенных веществ. Рационально определить потенциалзадающую систему,  8 по термодинамическим и кинетическим критериям превосходящую другие возможные оксредсистемы 0 6 в данных условиях. Напр., наличие резервуара кислорода атмосферы в поверхностных водах, органики в донных осадках, сульфилов при контакте подземных вод с рудным телом определяет общий ок.-восст. Н2 потенциал водного раствора и состояние многих растворенных веществ (NO3-- NO2-- N2 - NH4+, - 5 S2- - S6+, Fe3+ - Fe2+, Hg2+ - Hgo и т.п.). Следовательно, миграция, доступность для организмов, 0 5 7 9 14 рН токсичность одних и тех же элементов в природных водах различны и зависят от величины pe. Рис.1. В качестве примера на рис. 2 показана диаграмма Пурбэ для Fe (при общем содержании растворенных форм 10-5 М); в зависимости от окислительно.-восстановительной обстановки термодинамически стабильными могут быть разные формы Fe, обладающие разной растворимостью. 2     0 Основные реакции превращений форм железа р  е Fe3+ 2 Fe3+ + e- Fe2+ peo = 13.0 (1)   1 О2 Fe(OH)2 (s) Fe2+ + 2 OH- Ksp = 2.0 10-15 (2) 10 3 Fe(OH)3 (s) Fe3+ + 3 OH- Ksp = 6.0 10-38 (3) Fe2+ Fe(OH)3 (s) + e- Fe(OH)2 (s) peo = 13.0 (4)  0 Fe(OH)3 (s) Линия 1, отвечающая реакции (1) восстановления Fe3+ , инвариантна по рН.Положение линии 2, отвечающей фазовому равновесию (3), найдем из про-  изведения растворимости: [OH-]3 = 6 10-28/10-5, откуда рН = 3.25. 4 5 Линия 3, отвечающая совокупности реакций (1) и (3), получается подстановкой [Fe3+] из-10 Н2 Fe(OH)2 ур.(3) в уравнение pe = peo + lg [Fe3+] /[Fe2+], что приводит к pe = 23 – 3 pH. Аналогично положение линии 4 определится рН = 9.15, а линии 5 - из уравнения (4), 0 7 рН 14 pe = peo - lg [ОН- ] = 4.5 + рН Рис. 2. Кислотно-основные состояния в природных водах определяют направленность многих химических процессов (растворение, гидролиз, комплексообразование…). В поверхностных водах обычно роль буфера играет карбонатная система: СО2(г) В водной фазе рН регулируется соотношением молекулярной формы и карбонат-иона, которые (СО2+Н2СО3)aq HСO3- CO32- CaCO3o CaCO3 s сопряжены с комплексными формами металлов в растворе, СО2 в атмосфере и СаСО3 в осадках. CaHCO3+ Молекулярная форма потребляется в фотосинтезе (C6H12O6)b и выделяется при дыхании биоты (С6Н12О6), что определяет суточный ритм, сезонные и пространственные вариации рН. Тем самым, биотические процессы в водных экосистемах оказывают воздействие на направленность различных реакций и распределение ряда металлов по формам. Комплексообразование в природных водах может происходить как с неорганическими лигандами, так и с РОВ различной природы. Поскольку разные химические формы одного и того же элемента обладают разной миграционной способностью, биодоступностью и токсичностью, эти процессы имеют важное значение. Так, увеличение доли нейтральных гидроксо- и карбонатных комплексов металлов и доли форм, связанных с высокомолекулярными РОВ в пресных водах снижает токсичность ионов металлов для водных организмов и способствует выведению в донные осадки за счет лучшей сорбции на взвешенных частицах. Очевидно, что природные воды представляют сложную многокомпонентную динамичную систему, в которой состояние и свойства растворенных веществ зависят от сочетания различных факторов. Специального внимания заслуживают пресные воды, поскольку именно они наиболее интенсивно используются человеком (2.5 тыс. т воды в год на 1 чел., т.е. примерно 1.5 1014 т/год, что сравнимо с объемом воды во всех реках мира). Поверхностные воды - эволюционно сложившиеся гидроэкосистемы, в которых за счет внутриводоемных процессов формируется и поддерживается определенный химический состав воды. Воздействие техносферы на функционирование этих экосистем может быть непосредственным (изменение их водности, температуры, сброс загрязняющих веществ) и опосредованным ("кислотные дожди", сведение лесов и организация агроценозов на водосборной площади). При превышении буферной емкости пресноводных экосистем к тому или иному воздействию их функционирование, способность сохранять естественные процессы формирования химического состава, могут быть нарушены. В итоге качество воды может оказаться неприемлемым для водоснабжения. Альтернативой поверхностным пресным водам в некоторых регионах являются подземные воды. Однако их возобновление и процессы самоочищения замедлены относительно поверхностных водоемов, и проблема исчерпания или загрязнения подземных вод уже стала актуальной. |
Похожие:
 | И охраны окружающей среды администрации города ижевска доклад об экологической обстановке Администрация города/Структурные подразделения Администрации города Ижевска/Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды... |  | 20. 1 О-92 Охрана окружающей среды в Рунете Охрана окружающей среды в Рунете [Текст] : веблиогр список / гбук "Самар обл универс науч б-ка", информ библиогр отд.; сост. И. Л.... |
| В амурской области Издание доклада профинансировано из областного бюджета в рамках подпрограммы «Обеспечение экологической безопасности и охрана окружающей... | | Учебной дисциплины наименование дисциплины Охрана окружающей среды... Дисциплина "Охрана окружающей среды" обязательная дисциплина цикла оп, объединяющая тематику безопасного взаимодействия человека... |
| Загрязнение окружающей среды и экологические проблемы География мировых природных ресурсов. Загрязнение и охрана окружающей среды | | Основная образовательная программа по специальности 280201. 65 –... Цель ооп – обеспечение углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки в области охраны окружающей среды, которая обеспечит... |
| Рабочая программа дисциплины «биоразнообразие и охрана окружающей среды» В связи с этим, наиболее актуальной задачей является задача экологического воспитания нового поколения, творчески применяющего экологические... | | Це ль и з а д а ч и ди с цип л ины Дисциплина «Безопасность жизнедеятельности (охрана окружающей среды)» относится к вариативной части (дисциплины по выбору студентов)... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины нанотехнологии Специальность... Специальность – 280201. 65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Экологический глобус «Охрана природы – охрана здоровья» – к Всемирному дню охраны окружающей среды |
| Учебно-методический комплекс дисциплины химия окружающей среды Специальность... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Рабочая программа по учебным дисциплинам профессионального модуля... Мкд 04. 02 «Охрана окружающей среды и природоохранные мероприятия» разработана на основе Федерального государственного образовательного... |
| Постановление от 06 апреля 2012 г. N 99-пр об утверждении государственной... В соответствии с Федеральным законом от 10 января 2002 г. N 7-фз "Об охране окружающей среды", в целях улучшения экологической ситуации... | | Об утверждении государственной программы Ивановской области «Охрана... Ивановской области «Охрана окружающей среды Ивановской области на 2014 2020 годы» |
| Программа элективного курса предпрофильной подготовки для учащихся... В законе Российской Федерации «Об охране окружающей среды» в статье 72 «Преподавание основ экологических знаний в образовательных... | | Тема: География мировых природных ресурсов. Загрязнение и охрана окружающей среды |
