Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические процессы в техносфере. Учебное пособие
.pdf
41
3 Что такое фотодиффузия?
4 В основе каких фотохимических реакций находится фотоперенос электрона?
5 Что такое фотосинтез?
6 Какие пять форм кислорода участвуют в абиотических превращениях
загрязняющих веществ?
7 Какие процессы приводят к снижению содержания озона в атмосфере?
Объясните механизм разрушения озона.
8 Приведите примеры реакций трансформации соединений азота в атмосфере.
9 Приведите примеры реакций трансформации соединений серы в атмосфере.
10 Приведите примеры трансформации соединений углерода в атмосфере.
42
3 Физико-химические процессы в гидросфере
3.1 Основные сведения о гидросфере
Гидросфера представляет собой один из самых важных элементов биосферы,
который объединяет в себе все воды Земли, включая моря, океаны и поверхностные
воды суши. К ней также относятся различного вида осадки, снег и лед Антарктиды и
Арктики.
Гидросфера находится в тесной зависимости с литосферой (подземные воды),
атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она
входит в качестве обязательного компонента (таблица 3.1).
Таблица 3.1 - Распределение водных масс в гидросфере Земли
Вид вод
Площадь
распространения,
млн.
Объем,
млн.
Слой
воды,
м
Доля в мировых
запасах, %
от общих
запасов
воды
от
запасов
пресной
воды
Мировой океан
361,26
1340,74
3711
96,49
-
Подземные воды
(гравитационные и
капиллярные)
134,73
23,40
174
1,68
-
Преимущественно пресные
подземные воды
134,73
10,53
78
0,76
29,39
Почвенная влага
82,00
0,02
0,24
0,001
0,06
43
Продолжение таблицы 3.1
Вид вод
Площадь
распространения,
млн.
Объем,
млн.
Слой
воды,
м
Доля в мировых
запасах, %
от общих
запасов
воды
от
запасов
пресной
воды
Ледники и постоянно
залегающий снежный
покров
в том числе:
- в Антарктиде
- в Гренландии
- на Арктических
островах
16,23
13,98
1,80
0,23
24,87
22,41
2,34
0,08
1523
1603
1300
348
1,79
1,61
0,17
0,006
69,41
62,55
6,53
0,22
Состав гидросферы представлен на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Состав гидросферы
44
Подавляющая часть массы природных вод (94,2 %) — это воды Мирового
океана, представляющего собой уникальную природную систему. Здесь происходит
грандиозный процесс обмена, трансформации энергии и вещества нашей планеты
(рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 - Энергетика гидрологического цикла
П р и м е ч а н и е: энергетика гидрологического цикла представлена в виде двух путей:
верхний приводится в движение солнечной энергией, а нижний отдает энергию рекам, озерам,
заболоченным землям и выполняет работу, полезную для человека, например ГЭС. Поверхностный
сток пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них.
Гидросфера имеет границы по вертикали, но не имеет границ по «горизонтали».
Нижняя граница гидросферы принимается на уровне поверхности мантии
(поверхности Мохоровичича – 35– 45 км), но в районах разломов земной коры
подземные воды обнаруживаются на глубинах до 100 км. Верхняя граница проходит
45
в верхних слоях атмосферы – 300 км, захватывая в водообменном процессе всю
тропосферу.
Природные воды включают соленую воду Мирового океана, на долю которого
приходится 71 % поверхности планеты, и пресную воду суши, составляющую 3 %
общего объема запасов воды на Земле. Природные воды характеризуются
присутствием в них различных примесей, находящихся в виде растворенных
соединений, в виде минеральных и органических веществ, коллоидных систем,
эмульсий, а также в дисперсной форме.
Наиболее чистыми из природных водных объектов считаются атмосферные
осадки, в которых содержится от 10 до 50 мг/л примесей, обладающих хорошей
растворимостью, в океанической воде их содержание доходит до 35 г/л. Хорошо
растворимые вещества, как правило, находятся в ионном виде, среди которых
преобладают катионы натрия , магния , кальция и анионы хлора
,
карбонатов
, гидрокарбонатов
, сульфатов
.
В гидросфере под действием геологических, геохимических факторов, а также
солнечного излучения происходят различные физико-химические процессы,
оказывающие влияющие на развитие живых систем, на усвоение и накопление
солнечной энергии в организмах, на биологическую продуктивность. И здесь важная
роль отводится химическим элементам, таким как азот, фосфор, кремний, содержание
которых в отличие от приоритетных является невысоким, но они являются активными
участниками процессов трансформации химических соединений под действием
абиотических и биотических факторов. Оптимальное содержание этих элементов
поддерживается за счет жизнедеятельности морских животных и растений.
Однако при антропогенном воздействии происходит загрязнение водных
объектов, нарушается экологическое равновесие в водных экологических системах
из-за гибели водоплавающих птиц, животных, растительности, возникают
экологические проблемы, связанные с сохранением качества воды.
При этом не только ядовитые химические и нефтяные загрязнения, избыток
органических и минеральных веществ, поступающих со смывом удобрений с полей,
опасны для водных экосистем. Очень важным аспектом загрязнения водного бассейна
46
Земли является тепловое загрязнение, которое представляет собой сброс подогретой
воды с промышленных предприятий и тепловых электростанций в реки и озера.
Вода - необходимое условие жизни на Земле. Загрязнение водоёмов
различными отходами затрудняет процессы самоочищения, что наряду с нехваткой
пресной воды создают угрозу здоровью людей.
3.2 Загрязнение гидросферы
Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и
экологического значения в результате поступления в них вредных веществ.
Источник, вносящий в поверхностные или подземные воды различные вредные
вещества, микроорганизмы или тепло, называется источником загрязнения,
вещество, нарушающее нормы качества воды, - загрязняющим веществом.
Вещества, загрязняющие водные объекты, классифицируют в зависимости от
характерных для них биологических и физико-химических свойств. Выделяют
следующие группы загрязняющих веществ.
Первую группу составляют вещества, находящиеся в воде в растворенном
состоянии в виде ионов или в молекулярном виде. В ионной форме находятся
сильные электролиты в виде растворимых солей щелочных и щелочноземельных
металлов, солей аммония, алюминия, железа. В молекулярной форме содержатся
газообразные вещества (кислород, азот, диоксид углерода, сернистый газ), причем их
содержание в воде зависит от условий их растворимости.
Вторую группу составляют примеси, находящиеся в воде в виде коллоидных
соединений минеральных и органических веществ и взвешенных веществ.
Коллоидные соединения практически не растворяются в воде, но и не осаждаются, а
находятся во взвешенном состоянии. К взвешенным веществам относятся частицы
47
песка, глины, ила, которые под действием силы тяжести с течением времени могут
седиментировать.
Выделяют также группу биологических загрязнителей воды. К ним относятся
черви, водоросли, а также бактерии, вирусы, простейшие, образующие устойчивые
взвешенные системы, влияющие на степень прозрачности воды.
Загрязнение водных объектов происходит различными путями: за счет сбросов
бытовых сточных вод, сточных вод промышленных предприятий, предприятий
животноводства, смыва с сельско-хозяйственных полей части почвы, которая была
предварительно обработана удобрениями и пестицидами. Загрязнения могут
попадать в водоемы и водотоки с атмосферными осадками и поверхностным стоком.
Причем загрязнения антропогенного происхождения более опасны, так как чужды
природе, и их поступление и накопление в значительной степени влияют на
показатели качества воды.
Среди загрязнителей воды наибольшую опасность представляют фенолы,
нефть и нефтепродукты, соли тяжелых металлов, радионуклиды, пестициды и другие
органические яды, биогенная органика, насыщенная бактериями, минеральные
удобрения и т. д. Общая масса основных антропогенных загрязнителей гидросферы
достигла 15 млрд т в год. Большая часть этих загрязнителей приходится на реки, где
средняя их концентрация достигла 400 мг/л.
Поступление в водные объекты кислотообразующих примесей изменяет рН
водной среды. Для водных организмов оптимальными являются значения рН в
области 6,5-8,5. Если только рН уменьшится на одну единицу по сравнению с
нормативным значением, то это в большинстве случаев приводит к гибели живых
систем.
Кроме этого, при сбросе канализационных сточных вод, характеризующихся
высоким содержанием органических веществ, произойдет нарушение в процессах их
круговорота в водных объектах, а также может возникнуть опасность заражения
человека инфекционными заболеваниями (рисунок 3.2).
48
Рисунок 3.2 - Антропогенное воздействие на круговорот органического
вещества в водоеме
К негативным последствиям приводит сброс сточных вод и стоков с полей,
обработанных удобрениями, содержаших биогенные элементы, которые из-за
стимулирования роста водорослей, приводят к эвтрофикации водоема (рисунок 3.3).
Эвтрофикация водоема характеризуется тем, что растущая биомасса
водорослей способствует изменению окраски водного объекта, вкуса воды, из-за
отмирания водорослей и дальнейшего их разложения в бескислородных условиях
появляется неприятный запах, связанный с развитием гнилостных процессов.
Процесс разложения водорослей сопровождается выделением сероводорода, фенола,
индола и других ядовитых веществ, воздействие которых на живые организмы
приводит к их гибели.
49
Рисунок 3.3 - Процессы эвтрофикации
Загрязнение водных объектов приводит к изменению физических,
органолептических, химических и биологических показателей качества воды.
Так, органические вещества, содержащиеся в сточных водах, разлагаются
ферментами аэробных бактерий, которые поглощают растворенный в воде кислород
и выделяют углекислый газ по мере усвоения органических остатков.
Общеизвестными конечными продуктами распада являются углекислый газ и вода,
но могут образовываться и многие другие соединения. Например, бактерии
перерабатывают азот, содержащийся в отходах, в аммиак (NH3), который, соединяясь
с натрием, калием или другими химическими элементами, образует соли азотной
кислоты - нитраты. Сера преобразуется в сероводородные соединения (вещества,
содержащие радикал -SH или сероводород H2S), которые постепенно переходят в серу
(S) или в сульфат-ион (SO4-), также образующий соли.
50
Аналогичным образом протекают процессы трансформации органических
веществ, содержащихся в сточных водах предприятий пищевой и целлюлознобумажной промышленности.
Известно, что в аэробной среде бактерии разлагают органические вещества,
используя кислород, находящийся в воде в растворенном состоянии, его содержание
в результате данного процесса будет уменьшаться. Если же сточные воды,
сбрасываемые в водный объект, будут иметь высокую температуру, то это еще в
большей степени снизит концентрацию кислорода. Существующий норматив по
биохимической потребности в кислороде (БПК) предусматривает затраты кислорода
на разложение органики при температуре 20 °С в количестве 200 мг кислорода в
течение 5 дней.
В природных водных объектах, характеризующихся высокой скоростью
водообмена, расход кислорода на разложение мертвой органики быстро
компенсируется за счет перемешивания водных масс. В этих условиях при
разложении образуется углекислый газ, который частично растворяется в воде, а
частично диффундирует в атмосферу, тем самым сокращается продолжительность
воздействия продуктов разложения на состояние водных экосистем.
В водотоках с низкой скоростью водообмена, перемешивание водных масс
происходит медленно, поэтому расход кислорода на разложение мертвого
органического вещества не успевает компенсироваться, и его содержание
уменьшается, а концентрация углекислого газа увеличивается, что приводит к гибели
живых организмов и увеличению объема мертвой органики.
Загрязнение природных водных объектов оказывает негативное воздействие на
здоровье человека. Это проявляется при использовании для питья воды, не
отвечающей требованиям нормативов качества, либо в процессе трансформации
загрязняющих веществ по трофическим цепям следующего вида.
вода → планктон → рыбы → человек или вода → почва → растения →
животные → человек
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]