Александр Рыженков - Физика окружающей среды

• Название: Физика окружающей среды
• Автор: Александр Рыженков
• Жанр: Физика
• Год: 2018
• ISBN: 978-5-906879-78-3

В основу этой книги легли лекции автора для студентов физико-математического факультета по разработанному им спецкурсу «Физика и экология»

Обсуждается экологическая ситуация в мире и России в связи с развитием научно-технической революции, с позиций физики анализируются физические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере и влияние на них деятельности человека.

Рассматривается использование достижений современной физики в решении глобальных экологических проблем, эффективном использовании природных ресурсов, загрязнении окружающей среды.

---

Рис. 4. Водный цикл Арала

Бытовое водопотребление тоже довольно значительно, особенно в Токио, Мехико, Сан-Пауло, Москве, Нью-Йорке и других многомиллионных городах. Нагрузка на водные ресурсы зависит в основном от технологии и культуры потребления. Дефицит воды, например, в Москве, связан с непозволительной расточительностью и загрязнением. Во всех городах значительно превышены рациональные нормы расхода воды на одного жителя в сутки – 125–350 л. В 1980 г расход на одного жителя в сутки составлял: Минск – 283 л, Таллинн – 428, Ленинград – 456, Москва – 593, Душанбе – 564, Ташкент – 811. В европейских городах жители укладываются примерно в 270 л, Потери воды вместе с другими причинами связаны и с отсутствием надежных и простых расходомеров. Кстати, это серьезная и интересная работа для физиков и инженеров, разработать такой расходомер.

В перечень водопотребления обычно не включают энергетику. Это неверно. Во-первых, происходит тепловое загрязнение сбросами ТЭЦ, во-вторых, нарушается режим рек плотинами гидростанций и увеличивается испарение с поверхности водохранилища. Площадь всех искусственных водохранилищ России примерно равна территории Франции! При таких масштабах «покорения природы» не стоит удивляться чудесам погоды последних лет.

Круговорот вещества в атмосфере. Воздух одна из основных составляющих окружающей среды. Важную роль для жизни играет состав воздуха и физические процессы переноса вещества и энергии в форме круговоротов. Воздух состоит из газов: азот 78.084 %, кислород 20.948 %, аргон 0.934 %, другие и паров воды.

Кислород появился на Земле примерно 2 миллиарда лет тому назад, когда проходило активное формообразование поверхности при активной вулканической деятельности до того еще, как произошло разделение материков из праматерика Пангеи, согласно гипотезе Вегенера. Возрастание доли кислорода до современной в 21 % происходило в течение последних двадцати миллионов лет. Главную роль в этом играло развитие растительного мира суши и океана. Содержание кислорода в воздухе определяет границу жизни для растений и животных, по вертикали это приблизительно 4000 метров.

Кислород образуется в результате фотосинтеза органических продуктов в растениях.

6СО2 + 6Н2О + квант света = C6Н12O6 + 6O2+ тепло

При дыхании происходит реакция, обратная фотосинтезу.

В настоящее время пока наблюдается сохранение равновесия между производством кислорода и его потреблением.

Интенсивное потребление кислорода промышленностью, авто транспортом и авиацией вызвало опасения о нарушении баланса кислорода в окружающей среде. Опасения эти имеют под собой основания. Так, потребность в кислороде для пробега легкового автомобиля на расстояние 1500 км равна годовой потребности в кислороде одного взрослого человека! В целом кислородный баланс сохраняется, хотя возник ли его локальные нарушения вблизи больших промышленных цент ров и мегаполисов.

Рис. 5. Растворимость О2

Круговорот кислорода. Круговорот О2 очень сложный цикл из-за большого числа его участников. В него вовлечено большое количество представителей органического и неорганического мира, а также вода, растворяющая кисло род. Кислород, содержащийся в литосфере в виде оксидов, в круговорот не входит. При нормальных условиях в 1 л воздуха содержится 210 мл кислорода, в 1 л воды 8–9 мл и его содержание зависит от глубины и температуры. На рис. 5, отчетливо видна корреляция растворимости О2 с температурой. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхности и фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенными частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассеяние света и снижает активность фотосинтеза. Для частиц, размеры d, которых сравнимы с длинами волн видимой части спектра (d≥λ) величина рассеянного светового потока Фрас зависит от площади рассеиваю щей поверхности S частицы, пути светового потока Δx, концентрации рассеивающих частиц n.

ΔФрас = ΔSпад n Δx

Содержание кислорода в воде является одним из параметров ее биологического здоровья. По данным замеров в большинстве водоемов Европейской части России эта величина ниже нормы.

Круговорот углерода. Предполагается, что углерод распре делен в довольно тонком слое земной коры, в атмосфере в виде диоксида и оксида углерода, в животной и растительной биомассе. Однако, основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах, в основном в форме карбонатов (СаСО3) и гидрокарбонатов (Ca(HCO3)2), представляющих собой растворимые и нерастворимые донные отложения в Мировом океане, накапливающиеся за миллионы лет геологической истории Земли. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, составляет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содержание CO2 в атмосфере не стабильно, оно подвержено сезонным изменениям и наблюдается его увеличение, связываемое с антропогенным фактором.

Нужно заметить, однако, что прогнозируемый рост с учетом сжигания всех видов органических материалов, равный 0,7 (частиц на миллион) в год не совпадает с наблюдаемым 0,2. По-видимому, реальный круговорот углерода в природе гораздо сложнее той модели, которую мы себе представляем на рисунке 6.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше, чем кислород и от его содержания в воде зависит количество растворённых гидрокарбонатов, т. е. жесткость воды. Этот факт хорошо иллюстрируется уравнением углекислотного равновесия.

СО2 + Н2О + СаСО3 = Ca(НСО3)2

Если содержание CO2 в воде уменьшается, то выпадает оса док нерастворенного карбоната, который будет растворен при восстановлении равновесия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

Рис. 6. Круговорот углерода

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ, котельных и других системах, использующих воду. В природных условиях результатом этой реакции является образование полостей в земной коре, пещер, сталактитов и сталагмитов.

Круговорот вещества в почве. Роль почвы многообразна: с одной стороны, это важный участник всех природных круговоротов, с другой – это основа для производства биомассы – кормилица человечества. Для получения растительной и животной продукции человечество обрабатывает около 10 % суши – часть, которую, как полагают специалисты, уже не удастся увеличить, несмотря на необходимость увеличения производства продовольствия в связи с ростом населения. Важность сохранения почв приобретает особую остроту, учитывая, что потеряно из землепользования больше половины используемых сейчас земель.

Почва – продукт разрушения верхних слоев земной коры, сформировавшийся в результате деятельности живых организмов. Почвовед В. И. Докучаев дал такую оценку «… почва есть такое же самостоятельное, естественно историческое тело, как любое растение, любое животное».

Разновидностей почв несколько тысяч, и это требует исключительно высокой грамотности при их использовании. Копая землю, можно заметить, что цвет почвы и ее структура меняются с глубиной от темного гумусного слоя к светлому песчаному или глинистому. Наиболее важен гумусный слой, содержащий остатки растительности. Этот слой определяет плодородие почвы. В наиболее богатых гумусом черноземах толщина его достигает 1 метра, в бедных – около 10 см.

Обрабатываются, в основном зональные почвы. Профиль почвы этого типа показан на рис. 7, где: 1 – гумусный слой, 2 – выщелоченная почва, 3 – глина, содержащая 3-х валентное железо, 4 – материковая порода в стадии разрушения. Физические характеристики каждого из таких горизонтов зависят от типа почвы. Из физических свойств наиболее важны: плотность, капиллярность, пористость, влажность, теплопроводность, поглощательная способность.

Рис. 7. Профиль зональной почвы

Благодаря большому количеству различных живых существ, перерабатывающих в почве остатки растительности и животных, формирующих структуру и продуктивность, почва является живым организмом, в котором идут процессы деструкции, синтеза, биосинтеза, множество различных химических реакций и физических процессов. Количество живой биомассы в почвах зависит от их типа и от внешних условий, таблица 5. Количество почвы, переработанной дождевыми червями, весьма значительно: на одном гектаре пашни около 12 т в год и почти 100 т на огородной почве.

Таблица 5

Биомасса почвенных организмов

Деятельность микроорганизмов, преобразующих органические остатки, обеспечивает питание растений минеральными элементами. Биомасса растений образуется при потреблении минеральных солей, воды и солнечной энергии. Так, для роста соснового леса за 100 лет из одного гектара почвы изымается: кальция 424 кг, калия 168 кг, фосфора 33 кг. При выращивании культурных растений это потребление значительно больше: злаковые: 7000 кг азота, 1 3000 кг фосфора, 5000 кг калия, картофель: 9000 кг азота, 4000 кг фосфора, 16000 кг (!) калия.