Физико-химические процессы в техносфере

Органическое вещество почвы на 90 % составляют гуминовые вещества, образующиеся в результате постмортального разложения органических остатков. Последние частично минерализуются (до CO2, H2O и т.п.), но их значительная доля вступает в процесс гумификации. Он идет как с участием живых организмов почвы, так и путем чисто химических реакций окисления, восстановления, гидролиза, конденсации и др.

Образующиеся соединения вновь вступают в реакции синтеза или разложения, и это продолжается беспрерывно. В результате в почве остаются все более устойчивые к разложению органические соединения сложной и нерегулярной структуры. Следует отметить, что в результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50·109 т атмосферного углерода, а при отмирании живых организмов на земной поверхности оказывается около 40·109 т углерода. По разным источникам, ежегодно в процесс гумификации вовлекается

(0,6…2,5)·109 т углерода.

Гуминовые вещества есть почти повсюду в природе. Их содержание в морских водах 0,1–3 мг/л, в речных – 20 мг/л, а в болотах – до 200 мг/л. В почвах гуминовых веществ 1…12 %, при этом больше всего их в черноземах. Органогенные горные породы – уголь, торф, сапропель, горючие сланцы – являются лидерами по содержанию этих соединений; одна из разновидностей бурого угля – леонардит – содержит до 85 % гуминовых веществ.

Почва обладает поглотительной способностью – способно-

стью обменно либо необменно поглощать различные твердые, жидкие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидных частиц.

Благодаря механической поглотительной способности в почве задерживаются твердые частицы, которые поступают с воздушным или водным потоком и по размерам превышают размер почвенных пор. Например, вода, проходя сквозь почвенную толщу, очищается от взвесей, что позволяет использовать это свойство почв и рыхлых пород для очистки питьевых и сточных вод.

21

Химическая поглотительная способность обусловлена образованием в результате происходящих в почве химических реакций труднорастворимых соединений, выпадающих из раствора в осадок. Поступающие в почву в составе атмосферных, грунтовых, поливных вод катионы и анионы могут образовывать с солями почвенного раствора нерастворимые или труднорастворимые соединения. Например:

[ППК2–]Ca2+ + Na2SO4 → [ППК2–]2Na + CaSO4↓

[ППК2–]Ca2+ + 2NaHCO3 → [ППК2–]2Na + Ca(HCO3)2

Ca(HCO3)2 → CaCO3 ↓ + CO2 + H2O

Al(OH)3 + H3PO4 → AlPO4 ↓ + 3H2O

Na2CO3 + CaSO4 → CaCO3 ↓ + Na2SO4,

где ППК – это почвенный поглощающий комплекс – совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощенные ионы.

Биологическое поглощение вызвано способностью живых почвообитающих организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать различные элементы. Биологическая поглотительная способность характеризуется большой избирательностью поглощения, обусловленной специфической для каждого вида потребностью живых организмов в элементах питания.

Физическая поглотительная способность – способность почвы увеличивать концентрацию молекул различных веществ у поверхности тонкодисперсных частиц. Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность – способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, на эквивалентное количество ионов раствора, взаимодействующего с твердой фазой почвы. Это свойство почвы обусловлено наличием в ее составе почвенного поглощающего комплекса, связанного с почвенными коллоидами.

22

Всвязи с поглощающей способностью почв велика их роль

вобезвреживании токсичных веществ. Благодаря способности органических и неорганических компонентов почвы связывать другие вещества замедляется проникновение последних из атмосферы, биосферы и с поверхности грунта в почвенные и подземные воды. Токсичные органические компоненты (например, пестициды и полиароматические углеводороды) постепенно разрушаются почвенными микроорганизмами. Некоторые неорганические вещества (например, нитраты, сульфаты) также претерпевают химические превращения под действием почвенной микрофлоры. Ряд неорганических примесей (например, тяжелые металлы и радиоактивные элементы)

длительное время сохраняется в связанном состоянии в почве (в виде малоподвижных или труднодиссоциирующих соединений). Однако способность педосферы к задерживанию токсикантов не безгранична. Следует отметить, что накопление токсичных веществ в почве приводит к увеличению их содержания в организмах продуцентов; для некоторых веществ возможна и дальнейшая передача по пищевой цепочке (к консументам 1-го и следующих порядков).

Контрольные вопросы

1.Изобразите на одной схеме (или на схеме с несколькими выносками) оболочки Земли. Отметьте границы ядра, мантии, литосферы, коры (океанической и континентальной), гидросферы, тропосферы, атмосферы, ионосферы, экзосферы, радиационных поясов Земли, предельную высоту полета самолетов, высоту орбиты космической станции.

2.Составьте перечни элементов, преобладающих в космическом газе, земных коре, мантии, ядре, гидросфере, биосфере, почве,

иукажите их концентрации на той же схеме.

3. Опишите приведенные в главе процессы, происходящие в атмосфере, гидросфере, биосфере и почве.

23

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ТЕХНОСФЕРЕ

2.1. Формализация физико-химических процессов, протекающих в техносфере

Физико-химическое моделирование процессов в техносфере представляет значительный интерес и может быть исследовано при системном анализе. По Р. Шеннону, «…система определяется как совокупность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции» [4].

В материальном мире существуют определенные иерархии – упорядоченные последовательности соподчинения и усложнения. Они служат эмпирической основой системологии. Все многообразие нашего мира можно представить в виде трех последовательно возникших иерархий [2]. Это природная (П), физико-биологическая (Ф-Б), социальная (С) и техническая (Т) иерархии. Объединение систем из разных иерархий приводит к смешанным классам систем – экономическим или экологическим [2].

Следующими системообразующими факторами является цель

иназначение системы. Данная система создается с целью управления состоянием природно-технических систем утилизации отходов

ирешения определенных задач. Однозначных границ систем не существует. В философском смысле система – понятие относительное. На одном уровне иерархии элемент системы сам является системой, на другой уровне система есть элемент более крупной системы, в связи с этим установлены классификационные признаки систем [1]:

–по виду исследуемого объекта все исследуемые системы классифицируются кактехнические, биологические, социальные ит.п.;

24

–по характеру возмущающих воздействий системы делятся на детерминированные, вероятностные и игровые;

–по сложности структуры и поведения системы открытые

изакрытые;

–по степени организованности – хорошо-, плохоорганизованные, самоорганизующиеся.

Природные системы обладают следующими свойствами:

1. Эмерджентность. Показывает степень несводимости свойств системык свойствам отдельных элементов, изкоторыхона состоит.

2. Необходимое разнообразие элементов. Система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, лишенных индивидуальности. Разнообразие микроскопических свойств частей системы, наличие в ней разных фразовых состояний вещества определяет

гетерогенность системы.

3.Устойчивость. Преобладание внутренних взаимодействий

вдинамической системе над внешними определяет ее устойчи-

вость и способность к самосохранению, для этого необходимы приток и преобразование энергии и системы.

По виду обмена веществом и/или энергией с окружающей сре-

дой различают: а) изолированные системы (никакой обмен невозможен); б) замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен в любой форме); в) открытые системы (возможен любой обмен веществом и энергией).

4.Эволюция. Возникновение и существование всех систем обусловлены эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения системной иерархии – образования подсистем в структуре системы (кооперативный системообразующий принцип).

5.Сложность системы характеризуется неопределенностью элементов системы.

Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого образа, называемого моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осу-

25

ществлена в виде логических (причинно-следственных) и/или математических (функциональных) отношений.

В литературе широко распространено следующее представление о моделях: модель – это особый объект, поставленный в определенные отношения (обычно нетождественного подобия, аналогии, изоморфизма, изофункционализма, гомоморфизма и пр.) к другому моделируемому объекту. При таком представлении модель и моделируемый объект (оригинал) фактически оказываются однородными образованиями, различающимися только свойствами или отношениями. Однако оригинал подчиняется законам природы, а модель замещает оригинал и подчиняется законам мышления, познавательной деятельности. Требование полноты описания модели состоит в том, что в каждой ситуации, которая может возникнуть в данной системе, должно быть ясно, какой элементарный акт будет выполняться. Это не исключает того, что некоторые акты могут носить случайный характер и описываться вероятностными методами. Кроме того, описание может не учитывать все мелкие обстоятельства, которые могут повлиять на изучаемое явление.

Поэтому при дальнейшем рассмотрении техносферы рассматриваются следующие параметры этой системы.

1. Сложность структуры системы определяется числом n ее элементов и числом m связей между ними. Если в какой-то системе исследуется число частных дискретных состояний, то сложность системы Hm определяется логарифмом числа связей:

Системы условно классифицируются по сложности следующим образом: системы, имеющие до 1000 состояний (0 < Hm < 3), относятся к простым; до 1 000 000 состояний (3 < Hm < 6) – к сложным; свыше 1 000 000 (Hm > 6) – к очень сложным.

2. Разнообразие состава или взаимосвязей в системе оцени-

вается по показателю Симпсона как

26

i=1

где D, H – индексы разнообразия; рi – нормированная относительная численность i-го вида элементов в совокупности n видов ( pi = 1).

Оба показателя имеют максимум при равенстве значимости всех видов в совокупности (pi = 1/n для всех i). Эти показатели важны при количественной оценке биоразнообразия экосистем и принципиально отличаютсяот числапредставленных вэкосистемевидов.

3. Оценка относительной организации системы (R), зависящей от сложностииразнообразия состава, рассчитывается по формуле

По этому параметру системы также разделяются на 3 группы. Если R мала (0 < R < 0,1), система считается вероятностной, неустойчивой, обладающей малой жесткостью и способной гибко изменять свои состояния. Если R сравнительно велика (0,3 < R < 1), то система считается детерминированной, т.е. консервативной, жесткой, устойчивой. Промежуточное положение занимают квазидетерминированные системы (0,1 < R < 0,3). Большинство природных биосистем имеет вероятностный, или квазидетерминированный, характер.

Наиболее существенным при классификации сложной системы является число переменных, необходимых для адекватного описания динамических состояний системы в любой момент времени. Большинство проблем экологии и окружающей среды не относится к единственному локальному объекту, и часто необходимо разлагать модель на несколько пространственных компонент. Третьей

27

компонентой сложности модели является число различных управляемых параметров. Изменения значений этих параметров приводят к последующим изменениям в техносфере. Действия человека являются входами системы, а различные социальные, экономические и экологические индикаторы – ее выходами. Эти выходные индикаторы являются четвертой компонентой, определяющей сложность системы.

Процессы, протекающие в техносфере, подвержены действию градиентов температуры, концентрации газа, редокс-потенциала (Eh), pH, ферментной активности и потоков жидкости.

Также для систематизации модели необходимо достаточное количество информации о проблеме, которая будет использована для расчета значений параметров, входящих в феноменологические функции модели. Этим параметрам присваиваются такие значения, которые делают модель пригодной для количественного описания.

Для облегчения создания моделей больших систем можно предложить концепцию упрощения, включающую в себя три типа упрощения:

1.Создание модели путем выделения относительно независимых подмоделей.

2.Разработка системы дифференциальных уравнений, содержащих меньшее число переменных и параметров, чем полная имитационная модель.

3.Подготовка иллюстративных диаграмм, отражающих внутреннюю структуру модели. Они служат мощным аналитическим средством для проникновения в самую суть модели.

Упрощенная модель может быть также представлена не в виде имитационной модели, а в виде системы дифференциальных уравнений. Эти уравнения могут быть составлены путем выделения важнейших компонентов системы и идентифицированы путем непрерывного сравнения их математических свойств со свойствами полной модели. Каждое уравнение в системе дифференциальных

28

уравнений гораздо проще, чем соответствующая ему подмодель, но правильно воспроизводит главные взаимосвязи.

При построении биогеоценологических моделей, характерных для техносферы, можно использовать опыт математического моделирования механических и физических систем. Эти системы обладают множеством специфических особенностей, среди которых можно отметить следующие:

–сложность протекающих внутренних процессов;

–полифакториальность внешней среды (условий жизнедеятельности организмов);

–незамкнутость (проточность) экосистемы как в энергетическом, так и в структурном или информационном смысле;

–существенная нелинейность – огромный диапазон внешних характеристик, прикоторых сохраняетсяжизнеспособность системы.

Эти особенности влекут за собой следующие математические следствия:

–фазовое пространство экосистемы многомерно;

–математическая модель экосистемы должна содержать много параметров, задающих сложную среду функционирования систем;

–необходимо совместное моделирование биосистемы и среды

еефункционирования;

–модель должна учитывать различный характер нелинейностей биологических моделей, в том числе экспоненциальные нелинейности [5].

При исследовании безопасности техносферы следует отметить проблемы их надежности, эффективности и устойчивости. Однако в теории надежности в качестве главных возмущений, действующих на систему, рассматриваются отказы ее элементов. Основной математической моделью описания процессов возникновения отказов при этом является модель «стареющей» системы, или модель «гибели и размножения».

29

2.2.Подходы к описанию физико-химических процессов

втехносфере

Расчет сложных процессов, протекающих в техносфере, позволяет использовать блочный принцип (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Блочный принцип описания физико-химических процессов, протекающих в техносфере

Как было сказано выше, процессы, протекающие в техносфере, условно подразделяются на детерминированные и стохастические. Детерминированным называется такой процесс, в котором значение выходной характеризующей величины однозначно определяется значением входной величины. Детерминированные процессы описываются фундаментальными законами физики, в частности законами ньютоновской механики и транспорта субстанции (переноса импульса, энергии и вещества). Стохастическим называется такой процесс, в котором изменение определяющих величин происходит беспорядочно и часто дискретно. При этом значение выходной величины не находится в однозначном соответствии с входной. Для описания стохастических процессов используют статистиковероятностные методы. Для линейных систем задание корреляционных функций или спектральных плотностей воздействий позволило не только решить задачу оценки точности рассматриваемой системы автоматического управления, но и спроектировать ее оптимальным образом для получения экстремального значения некоторой оценки точности. Для нелинейных систем строгое решение задачи требует знания законов распределения в виде плотностей вероятности воздействий (стохастический подход).

30