|
|
РефератЭкология. Реферат по дисциплине Экология Антропогенное воздействие на атмосферу
Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых»
Кафедра Биологии и Экологии
Реферат по дисциплине «Экология»
«Антропогенное воздействие на атмосферу»
Выполнил:
студентка гр. ЗУКд-121
Корнилова В.В.
Проверил:
Любишева А.В.
Владимир
2022
Содержание
Введение
3.3. Проблемы загрязнения атмосферы
Значительное отрицательное воздействие на устойчивость биосферы оказывает загрязнение атмосферного воздуха. Это связано с тем, что атмосферные процессы занимают важное место в круговороте веществ. Воздух является средой обитания многих организмов, большинство организмов используют кислород воздуха для дыхания, а конденсируемая влага является источником питьевой воды, таким образом, химический состав воздуха оказывает непосредственное влияние на живые организмы. Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности Земли, влияет на количество солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, которое используется автотрофными организмами для фотосинтеза. Озоновый слой, находящийся на высоте порядка 25 км, защищает планету от губительного для живых организмов ультрафиолетового излучения Солнца.
Загрязняющие вещества могут попадать в атмосферу из естественных источников: при извержении вулканов, пыльных бурях, лесных пожарах, в результате капельного уноса влаги с поверхности океана и т.п. Естественные загрязнения биосфера способна удалять, ассимилировать и рециклизировать. Атмосферные загрязнения рассеиваются в атмосфере, выпадают с осадками на Землю, где в дальнейшем преобразуются, в частности микроорганизмами, в безвредные соединения. Поступление же в атмосферу огромных количеств загрязняющих веществ из антропогенных источников приводит к превышению возможностей биосферы по их рециклизации.
При изучении поведения загрязняющих веществ в атмосфере необходимо учитывать следующие ее особенности. Воздух представляет собой легко перемещающуюся среду. В состав воздуха входят окислители, а солнечное излучение способствует прохождению окислительных химических превращений. На круговорот веществ, растворимых в воде, в значительной мере влияет постоянная смена агрегатных состояний атмосферной влаги. В силу перечисленных обстоятельств попадающие в атмосферу из наземных источников загрязнения частично выпадают на поверхность Земли вдали от места эмиссии, смешиваясь при этом с другими веществами. В результате химических превращений исходные загрязнители и выпадающие на Землю вещества могут отличаться по химическому составу, зачастую становясь более агрессивными. Эмиссия и выпадение веществ в осадок могут происходить в различных агрегатных состояниях вследствие образования твердых и жидких аэрозольных частиц и вымывания атмосферными осадками ( рис.1)
Рис.1. Круговорот загрязняющих веществ в атмосфере.
Загрязняющие вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности Земли, рапспространяются в вертикальном и горизонтальных направлениях. В зависимости от структуры атмосферы и ее состояния в данный момент времени вертикальное перемешивание может достигать только определенной высоты, которая в первую очередь зависит от распределения температуры по вертикали.
Начиная с поверхности Земли, температура снижается в вертикальном направлении на 0,6 0 на каждые 100 метров. основная причина заключается в уменьшении концентрации водяного пара, поглощающего тепловое излучение земной поверхности. На высоте 8-18 км в атмосферном слое, называемом тропопаузой, это понижение прекращается. Тропопауза, отделяет приземный слой атмосферы – тропосферу от следующего слоя - стратосферы, в которой температура с высотой увеличивается вследствие протекающих там фотохимических реакций. Физическим условием движения потока воздуха вверх является снижение температуры в этом направлении. Поэтому перемешивание в тропопаузе замедляется и загрязняющие вещества, которые в тропосфере находятся недолго вследствие химических превращений и осаждения, не попадают в стратосферу. В то же время, вещества, достаточно летучие и химически инертные, могут в конечном итоге попадать в атмосферу в результате диффузии.
Достаточно часто уже в нижних слоях тропосферы, вблизи поверхности Земли наблюдаются температурные инверсии – изменения температуры в противоположном направлении. Инверсии часто возникают в результате натекания теплого воздуха на нижележащие холодные слои, например при ясной погоде в безветреные ночи при сильном охлаждении поверхности Земли и прилегающего слоя воздуха. При температурных инверсиях вертикальное перемешивание прекращается на малых высотах и загрязняющие вещества накапливаются у поверхности Земли ( рис.2).
Рис.2. Температурный профиль нижних слоев атмосферы
По своим источникам вещества,загрязняющие атмосферу, представляют собой в основном:
продукты сгорания топлива и сжигания отходов (взвеси, оксид углерода (II), оксид углерода (IV), органические соединения, оксид серы (IV), оксиды азота и т.д.);
загрязнители, поступающие в атмосферу с выхлопными газами транспортных средств (оксиды азота, углеводороды и продукты их неполного окисления, в том числе СО, тетраэтилсвинец и др.);
загрязнители, поступающие в атмосферу с газовыми выбросами промышленных предприятий (оксиды серы и азота, соединения тяжелых металлов и др.).
Загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу непосредственно из источников, называются первичными загрязнителями. Загрязнители, образующиеся из первичных в результате химических превращений в атмосфере, называются вторичными.
Одна из наиболее существенных проблем загрязнения атмосферного воздуха в крупных городах связана с вторичными загрязнителями – компонентами так называемого фотохимического смога.
Локальное загрязнение атмосферы. Смог.
Явление образования смога относится к локальным загрязнениям атмосферы. Первоначально этот термин (frog – туман, to smoke - курить, англ.) применялся к явлению образования токсичной смеси дыма и тумана в результате загрязнения воздуха в условиях высокой влажности продуктами сгорания топлива (в основном каменного угля) – сажей и диоксидом серы, образующим в каплях воды серную кислоту. Это так называемый «Лондонский смог». Фотохимический смог («смог Лос-Анджелеса») отличается от лондонского по своей химической природе и условиям образования.
Фотохимический смог образуется в результате химического взаимодействия оксидов азота и углеводородов, попадающих в воздух с выхлопными газами автотранспорта, под действием солнечного излучения. Продукты этих реакций называются фотохимическими окислителями. Это агрессивные химические соединения, токсичные для растений, животных и человека.
Присутствующие в атмосфере оксиды азота под действием солнечного излучения претерпевают химические превращения, приводящие к образованию и разрушению озона:
NO2 → NO + O (1)
O + O2 → O3 (2)
O3 + NO → NO2 (3)
Озон, являющийся сильным окислителем, сам по себе является опасным загрязнителем в тропосфере вследствие токсического действия на живые организмы, однако накопления значительного количества озона за счет химических превращений оксидов азота не происходит вследствие протекания реакции (3). Однако, если в воздухе наряду с оксидами азота присутствуют углеводороды, происходит серия реакций, в которых оксид азота NO и углеводороды СxHy образуют чрезвычайно токсичные соединеия – пероксиацилнитраты (ПАН):
NO + СxHy → ПАН (4)
В результате расходования NO на реакцию (4) происходит накопления озона, образующегося по реакциям (1,2).
Одновременно в результате окисления углеводородов образуются кислородсодержащие органические соединения – альдегиды и кетоны, которые также входят в состав фотохимического смога.
Образование фотохимического смога имеет место как правило в условиях температурных инверсий в безветренную ясную погоду в городах с большим скоплением автотранспорта. Фотохимический смог наблюдается в виде голубоватой дымки или беловатого тумана из-за образования аэрозольных частиц. Фотохимический смог вызывает головные боли, тошноту, раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, ухудшает состояние при хронических респираторных заболеваниях.
Глобальные проблемы загрязнения атмосферы.
Поскольку атмосфера является непрерывной и наиболее подвижной частью биосферы, воздействие на нее множества рассредоточенных по поверхности Земли источников загрязнения, приобретает глобальный характер. Наиболее значимыми глобальными проблемами загрязнения атмосферы следует считать проблему «парникового эффекта», проблему разрушения озонового слоя планеты и проблему кислотных осадков.
«Парниковый эффект»
Суть проблемы «парникового эффекта» в атмосфере заключается в нарушении теплового баланса атмосферы в результате увеличения содержания в воздухе так называемых «парниковых газов» - газов, молекулы которых интенсивно поглощают тепловое излучение, исходящее от поверхности Земли, нагреваемой солнечными лучами. Важнейшими парниковыми газами являются диоксид углерода, метан, хлорфторуглероды (фреоны), оксид азота (I). Вклад этих веществ в увеличение средней глобальной температуры атмосферы оценивается соответственно следующими цифрами: CO2–49% , CH4 – 18%, ХФУ – 14%, N2O – 6%, другие газы – 13%.
Высокий вклад углекислого газа в создании парникового эффекта в атмосфере связан со значительным увеличением содержания жэтого вещества в воздухе в результате сжигания в больших объемах ископаемого топлива. Если в начале XX века содержание СО2 в воздухе составляло 0,029%, то в 90-е годы ХХ века – уже
0,035%, то есть относительный рост за это время составил
20%. Рост населения и увеличение потребления топлива увеличивают темпы поступления углекислого газа в атмосферу.
Накоплению диоксида углерода в значительной степени способствует также массовое сведением лесов на планете (в основном тропических) и уменьшение продуктивности фитопланктона в океане (например, вследствие раскрытия «озоновых дыр»), что приводит к уменьшению связывания СО2 в процессах фотосинтеза.
Другие парниковые газы поступают в атмосферу в меньших количествах, но влияют на температуру атмосферы не намного меньше, т.к. поглощаю инфракрасное излучение в 50 - 100 раз сильнее, чем СО2. Достаточно высокий вклад в «парниковый эффект вносит метан. К его антропогенным источникам поступления относятся рисовые поля – источники биологического поступления метана, а также достаточно высокие потери природного газа при добыче, транспортировке по трубопроводам, распределении в населенных пунктах, при использовании на станциях теплоснабжения и электростанциях.
Гипотеза увеличения глобальной температуры Земли в результате «парникового эффекта», создаваемого преимущественно углекислым газом, была выдвинута в 1962 году российским климатологом Н.И.Будыко, а к концу 60-х годов были получены данные, подтверждающие эту гипотезу. Согласно расчетам, при сохранении современного темпа роста к середине ХХI века глобальная температура приземного слоя может повыситься на 1,5 – 4,5 0, при этом более значительное потепление ожидается в высоких широтах. Климатические последствия «парникового эффекта» могут быть весьма значительны. Таяние льдов и как следствие, повышение уровня Мирового океана на величину до 20 см , влечет за собой затопление части суши; таяние верхнего слоя вечной мерзлоты – нарушение устойчивости фундаментов и разрушение коммуникаций; перераспределение осадков вследствие неравномерного потепления - к изменение режима речного стока, отрицательным последствиям для сельского хозяйства, нарушению режима работы ГЭС и т.д. Таким образом, проблема «парникового эффекта» чревата серьезными климатическими последствиями, влекущими за собой в том числе разрушение хозяйственной инфраструктуры. В 1992 г. государствами, членами ООН, принята Конвенция ООН о изменении климата,конечная цель которой – добиться стабилизации содержания парниковых газов в атмосфере на уровне, не допускающем опасного воздействия на климатическую систему Земли.
Нарушение озонового слоя планеты
Другой, не менее значимой глобальной проблемой загрязнения атмосферы является истощение озонового слоя в атмосфере под действием озоноразрушающих веществ техногенного происхождения.
Озоновый слой в атмосфере Земли представляет собой скопление озона (О3 - аллотропная модификация кислорода) в стратосфере на высотах от 15 до 50 км, с максимальным содержанием на высоте 20 – 25 км. Мощность озонового слоя – 3 млрд. т. озона. При нормальных условиях – P=1 атм. T= 00C , озоновый слой имел бы толщину 2 –4 мм.
Образование озона в стратосфере происходит по реакциям:
О2 + h٧→ О + О
О2 + О → О3
Одновременно происходит разложение озона по реакции:
О3 + О → 2 О2
В результате этих реакций устанавливается стационарное состояние, и концентрация озона остается постоянной.
Озоновый слой в стратосфере выполняет важные экологические функции: поглощает до 99% коротковолнового ультрафиолетового излучения, губительного для живых организмов, а также играет важную роль в поддержании теплового баланса планеты.
Процесс разложения озона катализируется атомами галогенов, оксидом азота (II) и некоторыми другими частицами.
Cl + О3 → ClO + O2 NO + О3 → NO2 + O2
ClO + O3 → Cl + 2O2 NO2 + О3 → NO +2O2
Поступление в стратосферу озоноразрушающих веществ приводит к уменьшению стационарной концентрации озона, т.е. разрежению озонового слоя. Впервые разрежение озонового слоя было зафиксировано спутниковыми наблюдениями над южным полюсом осенью 1985 г.
Источниками атомов хлора в стратосфере могут служить молекулы фреонов – летучих и химически инертных хлорфторуглеродов, не разрушающихся в тропосфере. В атмосферу фреоны попадают из антропогенных источников, поскольку широко используются в качестве хладоагентов в холодильных установках, кондиционерах, тепловых насосах, а также в качестве носителей в аэрозольных баллончиках, вспенивателей в производстве пористых полимеров, в качестве растворителей для очистки компьютерных микросхем и пр. Оксид азота (II) из наземных источников в стратосферу не попадает, так как будучи химически активным, имеет малое время жизни в тропосфере, однако этот оксид непосредственно поступает в атмосферу с выхлопными газами ракет и реактивных самолетов. Опасным озоноразрушающим веществом, способным проникать в стратосферу, является также бромистый метил, используемый в качестве добавки к автомобильному топливу.
Пик производства озоноразрушающих веществ (ОРВ) в мире пришелся на 1987-1988 гг. (1,2- 1,4 млн.т./год). В 1987 г. 56 стран мира, в том числе СССР, подписали Монреальский протокол, предусматривающий резкое сокращение за 10 лет и постепенное прекращение производства ОРВ. Согласно расчетам специалистов при остановке роста содержания ОРВ в стратосфере прогнозируется восстановление озонового слоя.
Загрязнение атмосферы кислотообразующими веществами
Кислотообразующие вещества в атмосфере представлены в основном оксидами серы (SO2) и азота (NO,NO2), которые поступают как из природных так и из антропогенных источников. Природными источниками диоксида серы являются вулканическая деятельность, а также окисление сероводорода, поступающего в атмосферу как при извержении вулканов, так и из биологических источников. Также из естественных биологических источников в атмосферу поступают оксиды азота.
Антропогенное поступление оксидов серы в атмосферу связано с сжиганием топлива, прежде всего каменного угля, содержащего до нескольких процентов серы. Источниками образования SO2 также являются металлургическая промышленность (переработка сульфидных руд меди, свинца и цинка), а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти.
Диоксид серы в атмосфере претерпевает химические превращения. Под действием солнечного излучения в газовой фазе происходит его окисление в триксид серы (SO3), который растворяясь в частицах атмосферной воды образует серную кислоту:
2SO2 + O2 → 2 SO3 SO3 + H2O → H2SO4
Окисление происходит также в жидкой фазе после абсорбции SO2 в каплях атмосферной влаги:
SO2 + H2O → H2SO3 2H2SO3 + O2→ 2 H2SO4
либо в твердой фазе после адсорбции на частицах оксидов металлов:
CaO + SO2 → CaSO3 2CaSO3 + O2→ 2CaSO4
Антропогенное загрязнение атмосферы оксидами азота связано с сжиганием всех видов природного топлива, выбросом выхлопных газов автомобильного транспорта и с газовыми выбросами предприятий химической промышленности.
При сжигании топлива на предприятиях теплоэнергетического комплекса и при работе двигателей внутреннего сгорания в результате взаимодействия при высоких температурах кислорода и азота, содержащихся в воздухе, используемом для сжигания топлива образуется монооксид азота NO. Это соединение легко окисляется, реагируя с кислородом, до диоксида азота NO2:
2NO + O2 → 2NO2
В атмосфере газообразный диоксид азота растворяется в капельках влаги с образованием азотной кислоты:
4NO2+ 2H2O +O2 → 4НNO3
Образующиеся в результате описанных выше химических превращений оксидов серы и азота сильные кислоты – серная и азотная – являются причиной образования кислотных атмосферных осадков: кислотных дождей, снега, тумана.
Кислотность осадков характеризуется величиной водородного показателя –pH = - lg [H+] ( [H+] – концентрация ионов водорода в воде). Нейтральной среде отвечает pH = 7, кислой среде - pH < 7.
Поскольку в атмосферном воздухе содержится значительное количество углекислого газа (
0,034% СО2), который также является кислотным оксидом, даже в условиях незагрязненной атмосферы кислотные осадки не являются нейтральными вследствие образования в каплях влаги слабой угольной кислоты: СO2 + H2O → Н2СО3. Поэтому незагрязненные атмосферные осадки имеют рН
5,6.
Чем больше объем воды, в которой растворяются кислоты, тем менее кислотными являются осадки, поэтому сильные дожди менее кислотные, а наибольшую кислотность (наименьшее значение рН) имеют туманы.
Поскольку кислоты и кислотные оксиды могут выпадать из атмосферы и в результате сухой седиментации, сами по себе или с частицами пыли, сухие кислотные отложения на поверхности растений при выпадении росы, растворяясь в небольшом количестве воды, также делают ее кислотной.
То есть к кислотным осадкам относится также и кислотная роса.
Кислотные осадки оказывают негативное влияние на наземные и водные экосистемы. Это влияние заключается как в прямом влиянии на организмы (например, разрушении воскового покрова листьев растений, что делает их доступными для болезнетворных микроорганизмов), так и косвенном, через влияние на среду обитания. Все живые организмы адаптированы к определенной кислотности среды, являющейся одним из абиотических факторов, кроме того, повышение кислотности вызывает другие изменения в среде, например, переход алюминия и нерастворимых форм в растворимые, токсичные для живых организмов, осаждение нерастворимых фосфатов алюминия, приводящее к снижению содержания этого элемента минерального питания в воде или почвенном растворе, вымывание биогенных катионов (элементов питания – К+, Са2+, Мg2+) из почвы и т.д.
Кислотные осадки приводят к разрушению предметов материальной культуры – зданий, металлических конструкций. Под действием кислот происходит разрушение карбонатных строительных материалов (известняк, мрамор) вследствие растворения карбонатов:
СаСО3 + Н2SO4 + H2O → CaSO4 . 2H2O + CO2
Кислотные осадки усиливают коррозию изделий из железа и других металлов, приводят к разрушению резины и других материалов.
Для предупреждения опасного воздействия кислотных осадков на экосистемы и антропогенные сооружения необходимо добиваться снижения выбросов в атмосферу оксидов серы и азота.
Основные направления защиты атмосферы от промышленных выбросов
|
|
|
Скачать 0.81 Mb.