Рабочая программа по дисциплине Анализ и прогноз уровня загрязнения атмосферы, океана и вод суши Специальность 020804 геоэкология

Вид материала

Рабочая программа

Содержание Федеральное агентство по образованию Учебно-методический комплект дисциплины: Анализ и прогноз уровня загрязнения атмосферы, океана и вод суши Конспект лекций Проблема контроля качества и регулирования состояния природной среды Природа и свойства загрязняющих природную среду веществ 2. Свойства загрязняющих природную среду веществ Диоксид серы. Соединения азота. Твердые примеси (аэрозоль).

Подобный материал:

• Утверждаю, 147.55kb.
• Основная образовательная программа высшего профессионального образования по направлению, 516.15kb.
• C. Исследование атмосферы и океана оптическими методами, 41.93kb.
• C. Исследование атмосферы и океана оптическими методами, 39.28kb.
• C. Исследование атмосферы и океана оптическими методами, 41.81kb.
• Уутверждаю, 205.02kb.
• А. Л. Чижевский Челябинск, 1943, 39.25kb.
• Рабочая программа по дисциплине «Учет и анализ банкротств» специальность 060500 «Бухгалтерский, 128.85kb.
• «Формы загрязнения природной среды. Загрязнители атмосферы, гидросферы, литосферы., 361.41kb.
• Геология месторождений полезных ископаемых специальность 020804 – геоэкология содержание, 54.54kb.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»


Кафедра геоэкологии и ландшафтного планирования


Учебно-методический комплект дисциплины: Анализ и прогноз уровня загрязнения атмосферы, океана и вод суши

УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой _________ Ямашкин А.А. «___» _____________ 200 __ г.

Конспект лекций


Специальность 020804 геоэкология


Одобрен на заседании кафедры

геоэкологии и ландшафтного планирования

«___» _________ 200 __ г. протокол № _________


Саранск

2007


Лекция № 1

Проблема контроля качества и регулирования состояния природной среды

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Понятие загрязнения окружающей среды.
   
2. Основные методы анализа и прогноза ОС.
   

Проблема загрязнения среды обитания человека насчитывает несколько столетий (известен, например, эдикт (указ) Карла VI от 1382 г., запрещавший выпускать в Париже «дым тошнотворный и плохо пахнущий»). Однако до развития промышленности загрязнение среды носило ограниченный характер как по месту и времени распространения, так и по количеству и вредному воздействию загрязняющих веществ на живые организмы. Обстановка резко изменилась в связи с ростом промышленного производства и населения городов (урбанизацией).

Под загрязнением в экологии понимают неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом деятельности человека, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства среды и условия существования живых организмов. Эти изменения могут влиять на человека непосредственной или через воду и продукты питания. Они также могут воздействовать на человека, ухудшая свойства используемых им вещей, условия отдыха и работы.

В числе задач призванных решать геоэкологией находится задача изучения уровня загрязнения и деструкций компонентов глобальной геосистемы (атмосферы, Мирового океана, внутренних вод, литосферы, криосферы, биосферы), постоянный и повсеместный контроль их динамики.

Объектами наблюдения чаще всего выступают отдельные компоненты природной среды: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почвы и биота. Соответственно наибольшее развитие получили методы анализа атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, вод морей и океанов, почв, биоты.

Исходя из методов слежения (средств получения информации) целе­сообразно выделить следующие виды анализа: аэрокосмический, геохимический, геофизический, индикационный, картографический. Получение информации может осуществляться путем дистанционного зон­дирования, с помощью стационарных, полустационарных и маршрутных наблюдений.

При проведении наземных наблюдений широко используются геофи­зический, геохимический и индикационный методы. Сущность геофизического метода состоит в изучении процессов поступления и превращения вещества и энергии в геосистемах и экосис­темах на основе использования балансового подхода. Наблюдения проводятся на стационарах и в полустационарных условиях на постоянных участках и профилях с применением точных измерительных прибо­ров по специальной программе и методике. Программа включает инст­рументальное определение, элементов радиационного, теплового и вод­ного балансов, исследование тепло- и влагообмена между компонента­ми природной среды, водно-теплового режима.

Геохимический метод заключается в изучении функционирования и развития природных систем с помощью анализа миграции химических веществ и элементов. Геохимический метод дает возможность определить закономерности изменения химического состава природных компонентов и комплексов, их устойчивость к различным веществам и способности к самоочищению, выявить вероятность формирования техногенных ано­малий, скорости распространения и пространственные масштабы загряз­нения. Индикационный метод заключается з определении состояния одного объекта по состоянию другого, связанного с первыми более доступ­ного для изучения. В мониторинговых наблюдениях ведущую роль иг­рает биоиндикация (выявление изменений природной среды с помощью живых организмов или их сообществ), а главным индикатором выетупает растительный покров.

Дальнейший прогресс в познании процессов загрязнений связан с развитием – аэрокосмических методов. Этот вид мониторинга основан на бесконтактной регистрации (дис­танционной индикации) электромагнитных волн отраженного солнечно­го света и собственного излучения поверхности Земли с самолетов, вертолетов и различных космических аппаратов. Преимущество дистан­ционной индикации (прежде всего из космоса) перед другими методами, заключается в возможности достаточно частой повторности (и даже непрерывности) наблюдений во времени, получении на одном изображе­нии обширных и отдаленных территорий, возможности пространственно-временного анализа одновременно нескольких компонентов природы в их взаимосвязи. Только съемки из космоса могут обеспечить непрерывное слежение за антропогенными нарушениями природы в масш­табе всей биосферы в целом.

Аэрокосмический мониторинг позволяет выявить очаги и характер нарушений природных объектов с минимальной инерцией во времени; установить и картографировать степень, скорость и пространственные масштабы загрязнения и составить прогноз последствий хозяйственной деятельности человека.

В методах природной индикации индикаторы - компоненты природы, реагирующие своим изменени­ем на антропогенное воздействие. Существенное различие между физическими (инструментальными) измерениями отдельных параметров под влиянием техногенного воздействия и их природной индикацией состоит в том, что если у первого (инструментального) метода оценивается первоначально состояние фактора и вторично возможная реакция природной среды или системы, то у второго (природной инди­кации) сначала оценивается состояние системы под воздействи­ем фактора, и вторично - качественные характеристики влияющего фактора.

По способу реакции на изменение среды природные индика­торы подразделяются на два основных типа - сенсорные и ак­кумулятивные. Сенсорные отличаются высокой чувствительностью на загрязняющие вещества. Они не только реагируют на воздействие токсичных веществ уменьшением продолжительности жизни, биологической продуктивности, но и отражают внешним видом их повышенные концентрации. Аккумулятивные природные индикаторы, напротив выдерживают значительные нагрузки и накапливают большое ко­личество загрязняющих веществ. В следствие этого, способность накапливать токсические соединения мало отражается на их внешних морфологических признаках.

Наиболее перспективным путем решения проблемы прогнозирования является математическое моделирование процессов протекающих в биосфере. При этом особое значение приобретает машин­ная имитация - проигрывание на ЭВМ возможных вариантов поведения (смены состояний) природных систем под влиянием изменения внешних факторов. Математические модели, построенные по этому принципу, на­зывают имитационными. Они позволяют логически увязать эмпирические звания о различных процессах, протекающих в природных системах, и на основе машинного эксперимента получить непротиворечивые коли­чественные данные об их изменении во времени и пространстве.


Лекция № 2

Природа и свойства загрязняющих природную среду веществ

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Классификация загрязняющих природную среду веществ
   
2. Свойства загрязняющих природную среду веществ
   
3. Влияние загрязнения атмосферы на человека, растительный животный мир
   
4. Глобальное загрязнение атмосферы
   

1. Классификация загрязняющих природную среду веществ

Загрязняющие атмосферу вещества по их воздействию на организм человека подразделяются на физические и химические. К физическим относятся: а) радиоактивные элементы, являющиеся источником ионизирующей радиации; б) тепловое загрязнение (повышение температуры); в) шумы и низкочастотные вибрации (инфразвук); к химическим — а) газообразные производные углерода и жидкие углеводороды; б) моющие средства, в) пластмассы: г) пестициды и другие синтетические вещества; д) производные серы; е) производные азота; ж) тяжелые металлы; з) соединения фтора; и) твердые примеси; к) органические вещества.

По условиям образования все вещества, загрязняющие атмосферу, делятся на примеси естественного и искусственного (антропогенного) происхождения.

Примеси естественного происхождения поступают в атмосферу в результате вулканической деятельности, выветривания почвы и горных пород, лесных пожаров, отмирания растений, волнения моря (сопровождающегося образованием брызг), сгорания метеоритов.

Примеси антропогенного происхождения образуются прежде всего в процессе сжигания ископаемого топлива (в двигателях внутреннего сгорания, на тепловых электростанциях, в отопительных системах), а также при сжигании промышленных и бытовых отходов, ядерных взрывов и др.

Представление о количестве и соотношении поступающих в атмосферу примесей естественного и антропогенного происхо­ждения можно составить по данным табл. 1.1.

По составу примеси, поступающие в атмосферу, подразделяются на газообразные, твердые и жидкие. При этом на долю газообразных веществ (оксид углерода, диоксид и другие производные серы, углеводороды, оксиды азота, органические соединения) приходится около 90 %, а на долю твердых (пыль, тяжелые металлы, минеральные и органические соединения, радиоактивные вещества) – около 10%; масса жидких примесей (серная кислота) мала по сравнению с массой газообразных и твердых. Правда, в составе твердых примесей практически всегда присутствует вода, содержание которой тем больше, чем выше относительная влажность воздуха.

При сжигании всех видов топлива образуются и затем поступают в атмосферу водяной пар и диоксид углерода, которые содержатся в атмосфере в естественных условиях и не оказывают вредного воздействия на человека. По этой причине данные газы не относятся к загрязняющим атмосферу веществам, хотя на их долю приходится большая часть всех выбросов антропогенного происхождения.


2. Свойства загрязняющих природную среду веществ

Оксид углерода. Оксид углерода (СО), называемый в быту угарным газом, – самая распространенная и наиболее значительная (по массе) примесь атмосферы. В естественных условиях содержание СО в атмосфере очень мало: оно колеблется от сотых долей до 0,2 млн^-1 (напомним, что содержание диоксида углерода в среднем составляет 325 млн^-1). Основная масса СО образуется в процессе сжигания ископаемого топлива. При этом двигатели внутреннего сгорания являются главными источниками оксида углерода.

Общая масса СО, выбрасываемая в атмосферу, оценивается (по состоянию на 1988 г.) примерно в 380 Мт, при этом за счет сжигания бензина—около 270 Мт, угля—15 Мт, дров—15 Мт, промышленных отходов—35 Мт и лесных пожаров—15 Мт.

(ПДК – некоторая нормативно установленная концентрация загрязняющего вещества, при которой она не оказывает значительного отрицательного воздействия на организм и условия (качество) жизни человека. Различают разовую и суточную ПДК, характеризующие степень кратковременного (обычно не более 20–30 мин) и длительного влияния данного вещества на организм человека)

Диоксид серы. Диоксид серы, или сернистый газ (SO₂) — второе (по массе) загрязняющее атмосферу вещество. Основная (практически единственная) причина наличия SO₂ в атмосфере — использование человеком ископаемого топлива, в первую очередь угля, поскольку любое топливо содержит большее или меньшее количество серы (от долей процента до 5—7 %). Согласно оценкам, в тропосферу ежегодно выбрасывается около 145 Мт SO₂, причем 70 % этих выбросов образуются при сжигании угля и 16%—жидкого топлива (особенно, мазута).

Разрушение SO₂ в атмосфере происходит в результате воздействия ультрафиолетовой радиации, которая способствует образованию серного ангидрида (SOз) по реакции

2SO₂+0₂ → 2SO₃+185 кДж.

При контакте с водяным паром образуется сернистая кислота

SO₂ + Н₂О = H₂SO₃ + 76 кДж.

В загрязненной влажной атмосфере происходит также реакция

SO₂ + NO₂ + Н₂О → H₂S0₄ + NO,

приводящая к образованию серной кислоты (H₂S0₄). В атмосферу поступает еще одно соединение серы – сероводород (H₂S), антропогенная эмиссия которого невелика; большая же часть его производится микроорганизмами в почве и морской среде (около 100 Мт/год).

Оксиды серы ощутимо ускоряют в городах коррозию металлов – в 1,5 – 5 раз по сравнению с сельской местностью.

Соединения азота. Значительное количество оксида азота NO и диоксида азота NO₂ образуется в процессе горения при высокой температуре, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания, работающих на бензине и дизельном топливе.

Диоксид азота – устойчивый газ желтого цвета, в большинстве случаев придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Под влиянием ультрафиолетовой радиации NO₂ разрушается, переходя в NO. Разрушение NO₂ происходит также при температуре выше 600 °С, что объясняет более высокое содержание NO по сравнению с содержанием NO₂ в выхлопных газах автомобилей. Диоксид азота образуется уже в воздухе при распространении выхлопных газов по реакции

2NO + О₂ → 2NO₂ + 120 кДж.

Общая масса NO₂, ежегодно выбрасываемого в атмосферу в процессе деятельности человека, оценивается в 15–20 Мт, что составляет примерно 0,1 массы этого газа, образующегося естественным путем (вулканы, грозовая деятельность, микроорганизмы).

Диоксид азота сохраняется в атмосфере в среднем около трех суток. При взаимодействии с водяным паром он превращается в азотную кислоту и другие нитраты. Последние возвращаются в почву вместе с осадками, чем объясняется хорошо известное свойство снега – удобрять почву.

Углеводороды. Основным естественным источником углеводородов являются растения (на их долю приходится около 1 Гт в год), а антропогенным – автотранспорт (двигатели внутреннего сгорания и топливные баки автомобилей). При неполном сгорании происходит к тому же образование (синтез) опасных канцерогенных циклических углеводородов. Особенно много канцерогенных (вызывающих рак легких) углеводородов содержится в гудронах и саже, выбрасываемых дизельными двигателями и отопительными системами. Хотя путем хорошей регулировки двигателя и умелого управления автомобилем можно добиться некоторого снижения выбросов, дизельный двигатель занимает одно из первых мест среди источников загрязнения атмосферы канцерогенными веществами.

Согласно данным специальных исследований, каждый американский автомобиль в среднем на 1 км пробега выбрасывает 30 г оксида углерода, 4 г оксидов азота и 2 г углеводородов.

Назовем еще акролеин – очень токсичное и раздражающее вещество, — которое поступает в атмосферу не только в районах заводов, производящих его, но и вместе с выхлопными газами, содержащими продукты неполного сгорания топлива.

Твердые примеси (аэрозоль). Как и в случае газообразных загрязняющих веществ к аэрозолям естественного происхождения – твердым и жидким частицам, взвешенным в воздухе, добавилось значительное количество аэрозолей антропогенного происхождения.

Размер (радиус) твердых частиц, наблюдаемых в атмосфере, колеблется в широких пределах: от тысячных и сотых долей, до нескольких десятков микрометров (при пыльных бурях размеры частиц, переносимых ветром, увеличиваются до 100 мкм и более). В зависимости от размера аэрозольные частицы делят на три класса: мелкие или микроскопические (тонкодисперсные), радиусом r<0,1 мкм, средние (среднедисперсные), г = 0,1–1 мкм и крупные (грубодисперсные), г>1 мкм. Среди тонкодисперсных аэрозолей выделяют группу частиц, обладающих гигроскопическими свойствами. Эти частицы называют ядрами конденсации (они служат зародышами капель облаков и туманов). Нередко мелкие частицы несут на себе положительный или отрицательный заряд электричества. В этом случае они носят название ионов (легких или тяжелых).

По физико-химическим свойствам аэрозоли делят на: пыль и сажу (твердые частицы), дым (сильно обводненные частицы) и капли (тумана, облаков, осадков). Подчеркнем, что в реальных условиях и частицы пыли в какой-то степени всегда обводнены, а капли всегда содержат ядро конденсации (масса которого, правда, ничтожна мала по сравнению с массой воды). Капли облаков, туманов и осадков мы не будем относить к аэрозолям (считать примесями), поскольку они имеют естественное происхождение. Лишь незначительная часть антропогенных аэрозолей имеет жидкую структуру (например, серная кислота).

По форме частицы аэрозоля принято делить на: а) сферические, б) изометрические (правильные многогранники), в) пластинки (протяженность в двух измерениях значительно больше, чем в третьем), г) иглы, волокна, призмы, д) сложные агрегаты (длинные цепочки с ответвлениями, звездочки).

Несколько подробнее остановимся на характеристике тонкодисперсного аэрозоля, поскольку он, помимо влияния на организм человека, вносит существенный вклад в поглощение радиации и, как следствие, в изменение термического режима атмосферы. Образование частиц тонкодисперсного аэрозоля происходит непрерывно из газообразных примесей, их число обычно равно 10³—10⁴ в 1 см³, радиус всегда меньше нескольких десятых микрометра, а концентрация исчисляется микрограммами в 1 м³. Согласно имеющимся оценкам, глобальная масса тонкодисперсного аэрозоля в среднем близка к 50 Мт; скорость его образования составляет около 5000 Мт/год (т. е. за год масса аэрозоля в атмосфере обновляется около 100 раз, другими словами скорость его образования примерно в два раза превышает скорость обновления водяного пара в атмосфере).

В образовании тонкодисперсного аэрозоля из поступивших в атмосферу газов естественного и искусственного происхождения (N0₂, S0₂, терпены, продукты горения и гниения) участвует солнечная радиация и другие излучения, а также водяной пар. Наиболее крупные (порядка 10^-1 мкм) частицы растворимых веществ увеличиваются при росте относительной влажности настолько, что становятся зародышами капель облаков и туманов (т. е. ядрами конденсации). Более мелкие частицы (в первую очередь, нерастворимых веществ) сохраняются в первоначальном виде, образуя самостоятельную фракцию тонкодисперсного аэрозоля.

В составе аэрозоля всегда присутствуют четыре группы веществ: сульфаты, органические соединения, твердый углерод и вода, относительное содержание которых колеблется в широких пределах, отражающих условия образования газов-предшественников (включая географическое распределение растительности и режим ее жизнедеятельности) и влияние метеорологических условий на распространение аэрозоля в атмосфере.

Твердый углерод—это различного вида сажа, радиус частиц которой в момент образования близок к 0,003—0,005 мкм, а концентрация весьма изменчива — от 1 мкг/м³ в особо чистых районах до 10—30 мкг/м³ в сильно задымленных. Вскоре после образования частицы сажи объединяются в хлопья радиусом в несколько сотых микрометра, захватываются частицами другой природы (например, каплями осадков) и удаляются из атмосферы через интервалы времени, колеблющиеся от нескольких десятков часов до 1—2 недель. Общая масса сажи в атмосфере оценивается примерно в 5 Мт, а скорость поступления — около 500 Мт/год. Для сравнения приведем оценки глобального содержания углерода в составе диоксида углерода (примерно 7·10³ Мт) и скорости его поступления из естественных (2·10⁵ Мт/год) и антропогенных (5·10³ Мт/год) источников. Таким образом, скорость поступления в атмосферу твердого углерода составляет около 10 % скорости выброса газообразного углерода и быстро растет по мере увеличения объема сжигаемого топлива.

Роль сажи в атмосфере определяется не только вредным воздействием на человека, прежде всего на органы дыхания, но и тем, что из всех составляющих аэрозоля сажа наиболее сильно поглощает солнечную и земную радиацию в широком диапазоне длин волн (от 0,25 до 13 мкм) и тем самым может оказывать существенное влияние на термический режим атмосферы и земной поверхности. Оценки показывают, что если бы частицы сажи оседали равномерно, то земная поверхность покрылась бы слоем сажи толщиной до 1 мкм с альбедо всего лишь около 2 %. В действительности основная масса сажи вымывается выпадающими на землю осадками.

Однако сажа, выпавшая на снежный или ледяной покров, распределяется по всей толщине и длительное время сохраняется. По этой причине альбедо снега уменьшается до 90 % при среднем и до 30 % при сильном загрязнении (при альбедо, равном 100 % в случае чистого снега), что значительно ускоряет процесс таяния снега. Значительно также влияние сажи на альбедо облаков. Водная составляющая тонкодисперсного аэрозоля практически не поглощает радиацию в интервале длин волн 0,25—13 мкм и тем самым не оказывает влияния на термический режим атмосферы.

Роль сульфатов (соединений серы) значительна прежде всего потому, что наиболее крупные частицы их служат ядрами конденсации, определяющими условия образования и микроструктуру облаков и туманов. Велико содержание сульфатов в дымках – широко распространенном явлении (особенно в городах), оказывающем существенное влияние на радиационный теплообмен и альбедо планеты.

В связи с увеличением антропогенных выбросов сульфатов в последние десятилетия заметно возросла их биологическая активность, сопровождающаяся отравлением растительности и животного мира (это так называемые кислотные дожди).

Наименее активна (в отношении поглощения радиации и влияния на климат) органическая составляющая аэрозоля. Входящие в его состав многочисленные органические соединения обладают сильными полосами поглощения, которые, однако, перекрываются полосами поглощения водяного пара или находятся в области спектра с очень малой интенсивностью излучения.

Вклад антропогенных выбросов в общий баланс аэрозоля существенен для всех его составляющих (для твердого углерода он преобладает над естественным, для сульфатов и органического вещества составляет примерно 25 % естественного) и со временем продолжает увеличиваться.

Назовем другие вещества, выбрасываемые в атмосферу и оказывающие вредное воздействие на организм человека, животной и растительный мир. Отметим, что общее число загрязняющих атмосферу веществ исчисляется несколькими сотнями.

Важным источником загрязнения атмосферы служит промышленность, связанная с добычей и использованием строительных материалов (дробление пород в карьерах, изготовление цемента и др.).

В пыли, оседающей вблизи индустриальных центров, обнаруживается немало различных минералов: кварц, кальцит, гипс, полевой шпат, асбест (последний даже при концентрации, значительно меньше концентрации других минералов, вызывает необратимое повреждение легких). Пыль в воздухе индустриальных районов включает в среднем 20 % оксида железа, 15 % силикатов и 5 % сажи. К этому следует добавить оксиды металлоидов (марганец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и особенно токсичные селен и теллур), а также фториды. Автомобили, литейное производство и сжигание отходов — основные источники загрязнения атмосферы свинцом — исключительно токсичным металлом. Ежегодно каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу в среднем 1 кг свинца в виде аэрозоля (в бензин добавляется тетраэтил свинца в качестве антидетонатора). Начиная с 1950 г. стало резко увеличиваться количество свинца, осаждающегося на лед Гренландии — следствие увеличения парка автомашин. В крупных городах многих стран мира концентрация свинца нередко превышает 1 мкг/м³ (а на перекрестках и в туннелях 5—30 мкг/м³) при ПДК, равном 0,7 мкг/м³. Среднее время пребывания в атмосфере частиц свинца (диаметром от 0,05 до 5 мкм) составляет несколько недель, что способствует распространению свинца в удаленные от источников районы. В настоящее время вся биосфера заражена свинцом антропогенного происхождения.