Влияние кислотных осадков и смога на экосистемы

Значение рН среды чрезвычайно важно, так как от него зависит деятельность практически всех ферментов, гормонов и других белков в организме, регулирующих метаболизм, рост и развитие..

Ущерб не ограничивается гибелью рыбы и других водных обитателей. Многие пищевые цепи,

охватывающие почти всех диких животных, начинаются в водоемах.

При низких значениях рН их исходно инертные соединения растворяются, становятся химически активными и оказывают сильное токсическое воздействие как на растения, так и на животных. Наряду с гибелью озер становится очевидной и деградация лесов (рис. 2). Деревья, испытывающие воздействие одного или нескольких из показанных на рисунке стрессовых факторов, легче поражаются вредителями и патогенами.

Снижение буферной емкости и прогноз на будущее

Многие районы получают примерно одинаковое количество кислотных осадков, но последствия их выпадения различны. Причина этому - различная буферная емкость территорий.

Защитить систему от изменения рН при добавлении кислоты может буфер. Так называют вещество, способное поглощать ионы водорода при данном значении рН. Многие, но далеко не все водоемы и почвы содержат в качестве буфера известняк, т.е. карбонат кальция (СаСО₃). Однако возможности любого буфера ограничены. Известь, например, просто расходуется, реагируя с кислотой. Поэтому говорят о буферной емкости системы. Когда она исчерпана, дополнительные ионы водорода остаются в растворе и происходит соответствующее понижение рН среды. После истощения буферной емкости системы изменение рН происходит не постепенно. При добавлении совсем небольшого количества кислоты рН резко падает. Следовательно, катастрофические изменения могут не оставить времени на исправление ситуации.

3.Энергетическая проблема

Жизнедеятельность любого живого организма невозможна без энергообмена с окружающей средой. Энергетический баланс организма поддерживается путем потребления пищи, обладающей определенной энергетической ценностью, и теплообмена с окружающей средой. Современный человек тратит энергии почти в 24 раза больше, чем необходимо для его жизнеобеспечения.

Первый в истории цивилизации энергетический кризис произошел во II тысячелетии до нашей эры, когда источниками энергии были мускульная сила людей и животных. Выход был найден в использовании рабов для этих целей.

С переходом к феодальному обществу кончилась эпоха «живой» энергетики. Основными источниками энергии становятся ветер и текущая вода. Но развивающееся производство требовало все больше и больше энергии. Наступил второй энергетический кризис. Изобретение паровой машины позволило решить назревшие энергетические проблемы.

Открытия в области электричества положили начало новой эпохе. В первой половине XX века электрификация стала основным фактором повышения производительности труда и повышения жизненного уровня людей. Также в это время были разработаны двигатели внутреннего сгорания (ДВС), значительно превосходившие по своим показателям паровые двигатели.

До сих пор во многих странах количество потребленной энергии измеряют с помощью внесистемной единицы кВт*ч (1 кВт*ч=3,6 МДж), поэтому эта единица также использована при анализе энергетических проблем.

В соответствии с классическими законами физики: энергия – универсальная количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. С различными формами движения материи связывают различные формы: механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную, ядерную и т.д. Мощность – это энергия, потребленная (произведенная) в единицу времени.

Для получения энергии необходимы соответствующие носители и ресурсы. Энергетические ресурсы – это материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, пригодная для практического использования человеком. Различают невозобновляемые и возобновляемые энергоресурсы.

Невозобновляемые – это такие энергоресурсы, которые были ранее накоплены в недрах Земли и в новых геологических условиях практически не образуются (уголь, нефть, природный газ и др.).

К возобновляемым энергоресурсам относятся те, восстановление которых постоянно осуществляется в природе (энергия ветра и текущей воды, энергия приливов и отливов и морских волн, древесина и т.д.).

Следует отметить, что в основном все виды энергоресурсов – это результат естественных преобразований и накоплений солнечной энергии.

Кроме того, различают первичные и вторичные энергоресурсы. Первичные энергоресурсы - это носители первичной энергии, содержащейся в первичных природных источниках. К первичным источникам относят уголь, нефть, природный газ, природный уран, движущиеся массы воды и воздуха и т.д.

Вторичные энергоресурсы – это энергоресурсы, образующиеся как попутные при осуществлении технологических процессов и могущие быть повторно использованными для получения энергии. К ним относятся использованные горючие органические вещества, городские и промышленные отходы, горючие отработанные теплоносители, отходы сельскохозяйственного производства и др.

Энергоносители и энергопотребители.

В мире для оценки энергопотребления, как правило, используют «тонны нефтяного эквивалента» (ТНЭ). При сгорании одной ТНЭ выделяется 42 * 10⁹ Дж = 42 ГДж.

Среднегодовая мощность, потребляемая одним жителем планеты, примерно равна 3,2 кВт.

Таким образом, приведенные выше оценки говорят, что человечество производит и потребляет колоссальное количество энергии, которое, в конечном счете, направлено на разрушение природных экосистем и истощение природных ресурсов.

Основным энергоносителем в настоящее время является ископаемое топливо: уголь, нефть и газ. Как уже отмечалось, поскольку основой этих энергоносителей является углерод, то при сгорании образуется углекислый газ, являющийся «парниковым газом». При сжигании необходим кислород. Ископаемое топливо содержит ряд примесей, в частности, серу. Сжигание такого топлива приводит образованию оксидов серы SO₂ и SO₃. Оксиды азота и серы, выброшенные в атмосферу, являются источником образования кислотных дождей.

Большой интерес представляет структура мирового топливно-энергетического баланса.

В начале 70-х гг. XX в. доли угля, нефти и газа в структуре мирового потребления примерно выравниваются: нефть – 34 %, газ – 18 %, уголь – 32%. После нефтяного кризиса 1973 – 74-х годов развитые страны начинают переориентировать топливно-энергетическую базу своих стран на другие виды энергоресурсов и вводят политику энергосбережения. В результате к концу 20 века году доля нефти в мировом топливно-энергетическом балансе снизилась до 38%, , твердого топлива – до 27%, а потребление газа возрастает до 18 %. Неуклонно растет доля ядерной энергии.

Рассмотрим более подробно основные энергоносители.

Наиболее распространенными на планете энергоносителем является уголь. По оценкам специалистов его запасы составляют около 7 * 10¹² т. Только разведанных месторождений угля (3 * 10¹⁰ т) при нынешних темпах использования хватит на несколько веков. Основные залежи угля образовались 210…280 млн лет назад в каменно угольный период и сосредоточены в России, США, Китае и Украине. В этих странах сосредоточено почти 88 % известных запасов угля. Энергетический потенциал мировых залежей угля в 25 раз превосходит нефтяной.

К сожалению, уголь нельзя отнести к экологически чистым видам топлива. Теплоэлектростанции (ТЭС), работающие на угле дают 10…25 кг вредных выбросов на 1кВт  ч энергии. Поэтому на долю лидеров угольной энергетики приходится и основные выбросы вредных веществ в атмосферу.

Широкое использование природного газа в энергоустановках, преимущественно в стационарных, связано с тем, что он имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами топлива. Газ легко транспортируется на большие расстояния, практически не требует подготовки и переработки перед использованием. Количество вредных выбросов на 1кВт  ч при сжигании газа минимально. Энергоустановки, работающие на газу, легко автоматизируются.

Нефть в чистом виде как энергоноситель не используется. В результате ее перегонки получается бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масла и т.д. Бензин и дизельное топливо используется в двигателях внутреннего сгорания, керосин – в турбореактивных и реактивных двигателях летательных аппаратов, а мазут сжигается в электростанциях и в котельных. По сравнению с природным газом нефть и нефтепродукты при сжигании дают значительно большее количество вредных веществ, что связано с наличием примесей серы, фосфора и т.д.

При современных темпах энергопотребления разведанных запасов нефти хватит примерно на 35…40 лет, газа – на 50…60 лет, угля – на 300 лет.

В настоящее время использовано примерно 30% известных и доступных для добычи запасов нефти, и почти 40% известных запасов природного газа. Это заставляет искать новые источники энергии.

Атомная энергетика до катастрофы на ЧАЭС и недавней катастрофы на АЭС Фукусима (Япония) не вызвала больших опасений. Теперь очевидно, что наиболее опасным и широкомасштабным вмешательством человека в природу является использование энергии деления ядра.

Кроме того, надо признать, что до сих пор нет способов эффективной утилизации радиоактивных отходов. Наука пока не решила эту задачу.

Альтернативные источники энергии (ветер, солнце, приливы и отливы и т.д.) ограничены. Поэтому до сих пор остается много сторонников использования ядерного топлива.

Вместе с тем, нет ответа и на вопрос – чем закрыть «энергетическую брешь» в топливно-энергетическом комплексе планеты, которая возникнет уже в этом столетии.

Возобновляемые источники энергии: солнечная, ветровая, движущейся воды, геотермальная и т.д. являются в достаточной степени чистыми.

В настоящее время наиболее широко используется энергия движущейся воды в реках. В топливно-энергетическом балансе планеты гидроэнергетика занимает до 6% – это достаточно весомый вклад.

Строительство ГЭС на равнинных реках приносит ощутимый экологический вред: затапливаются достаточно большие площади лесов и сельхозугодий, разрушаются сложившиеся тысячи лет водные экосистемы, гигантские водохранилища оказывают влияние на климат.

Во многих странах начато строительство и построены приливные электростанции (ПЭС).

Начинает находить практическое применение и геотермальная энергия. В ядре Земли температура достигает 5000 ⁰С (к примеру, температура на Солнце 5500 ⁰С). Эта энергия поступает к поверхности за счет теплопроводности коры Земли, с потоками расплавленной магмы при извержении вулканов, и потоками воды горячих ключей и гейзеров. Геотермальные воды широко применяются для отопления и горячего водоснабжения в ряде стран. Отопление жилых и производственных помещений в столице Исландии Рекьявике в основном осуществляется за счет энергии геотермальных вод.

История использования энергии ветра уходит в глубокую древность. Первоначально ее использовали для движения парусных судов. Затем человек научился строить ветряные мельницы. Электрическая энергия с помощью ветроустановки впервые получена в Дании в 1890 г. и использовалась для зарядки аккумуляторов.

Наиболее эффективный способ преобразования энергии ветра – это производство электроэнергии в ветроэнергетической установке.

К экологическим недостаткам ветроэнергетических установок следует отметить шум, электромагнитные поля. Также крупномасштабное их применение в каком-то одном районе может вызвать климатические изменения, т.к. скорость движения воздуха после комплекса ветроэнергетических установок существенно снижается.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, практически неисчерпаема. Среднегодовая мощность солнечной энергии, доходящей до поверхности планеты, по различным источникам примерно составляет (40…100)*10¹⁵ Вт. Это колоссальная мощность, использование ее всего на 0,01% позволило бы с избытком решить энергетические проблемы цивилизации.

Сегодня известно два основных способа использования солнечной энергии:

1) преобразование в тепловую с последующим использованием в нагревательных системах;

2) преобразование в электрическую энергию.

Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется в основном двумя путями. На гелиотермических станциях солнечная энергия превращается в тепловую энергию пара, а затем в парогенераторе в электрическую. Самый крупный комплекс, работающий по схожему циклу в США (Калифорния, пустыня Мохава). Установки расположены на территории свыше 740га, их мощность 354 МВт. Кривые зеркала фокусирует солнечный свет на трубках с синтетическим маслом, которое нагревается до 400⁰С. Это тепло превращается в пар, который поступает в турбогенератор.

В России разработан проект солнечной электростанции с комбинированным использованием солнечной энергии (гелиотермический и фотоэлектрический способы) для Северного Кавказа мощностью 1,5 МВт.

Многие специалисты считают, что солнечные электростанции являются экологически чистыми. Это не совсем верно. Для производства фотоэлектрических элементов необходимы соединения кремния. Отходы такого производства являются высокотоксичными, и существует проблема их обезвреживания и утилизации. Но экологический вред от солнечных электростанций значительно ниже, чем от ТЭС, работающих на угле, мазуте и даже на газе, т.к. при этом не происходят выбросы «парниковых газов», соединений серы, азота, фосфора и т.п.